DE102016109097A1

DE102016109097A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102016109097A1
Application number: DE102016109097.2A
Authority: DE
Inventors: Tomio Yamanaka; Masashi TOIDA; Yoshiaki Naganuma; Mitsuhiro Nada
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2016-05-18
Publication date: 2016-12-29
Anticipated expiration: 2036-05-19
Also published as: JP2017016741A; JP6183417B2; CN106299415B; KR101781296B1; US9991533B2; KR20170001586A; DE102016109097B4; CN106299415A; US20160380286A1

Abstract

Es ist eine Aufgabe die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass ein motorbetriebenes Ventil, welches in einem geschlossenen Zustand eingefroren ist, durch einen Schrittmotor geöffnet wird. Ein Einstellen eines Öffnungsbefehlswerts auf null und ein Einstellen des Öffnungsbefehlswerts auf eine Öffnung a1 oder eine Öffnung b1, welche eine effektive Schnittfläche größer als null bilden, werden mit Bezug auf zwei Schrittmotoren wiederholt, welche jeweils mit einem Druckregler und einem an einer Kathodenseite ausgebildeten Strömungstrennventil verbunden sind. Antriebsimpulse werden in die zwei Schrittmotoren eingegeben, um so eine Zeitspanne, wenn ein Moment erzeugt wird, in einer Richtung eines Zunehmens der Ventilöffnung länger als eine Zeitspannen zu machen, wenn ein Moment in einer Richtung eines Abnehmens der Ventilöffnung erzeugt wird.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 26. Juni 2015 eingereichten japanischen Patentanmeldung JP 2015-128908 , deren Inhalt in diese Anmeldung vollständig durch Bezugnahme aufgenommen ist.
HINTERGRUND
Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
Stand der Technik
In einem Brennstoffzellensystem werden verschiedene Ventile verwendet. Jedes dieser Ventile kann in einem geschlossenen Zustand während einem Stopp des Brennstoffzellensystems eingefroren sein. In diesem eingefrorenem Zustand ist es schwierig das Ventil zu öffnen. Dies wird wahrscheinlich das Starten des Brennstoffzellensystems beeinträchtigen. Die JP 2005-285686 A offenbart eine Technik zum Wiederholen von Öffnungs- und Schließvorgängen eines Magnetventils um den eingefrorenen Zustand des Ventils zu beseitigen.
Das Ziel dieser Technik aus dem Stand der Technik ist das Magnetventil, welches eine relativ große Kraft durch die Ventilöffnungs- und Ventilschließvorgänge erzeugt. Es wird daher erwartet, dass die Ventilöffnungs- und Ventilschließvorgänge den eingefrorenen Zustand zu einem gewissen Grad beseitigen. In dem Fall eines motorbetriebenen Ventils, welches derart gesteuert wird, um durch einen Schrittmotor geöffnet und geschlossen zu werden, ist es auf der anderen Seite unwahrscheinlich, dass die Ventilöffnungs- und Ventilschließvorgänge den eingefrorenen Zustand beseitigen. Das kommt daher, weil das durch den Schrittmotor erzeuge Moment relativ klein ist. Unter Berücksichtigung dieses Problems ist es daher eine Aufgabe der Erfindung, die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass ein motorbetriebenes Ventil, welches in einem geschlossenen Zustand eingefroren ist, durch einen Schrittmotor geöffnet wird.
KURZFASSUNG
Um zumindest einen Teil der oben beschriebenen Probleme zu lösen kann die Erfindung durch die unten beschriebenen Aspekte implementiert werden.
Gemäß eines Aspektes der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem weist einen Kompressor, welcher in einem Zufuhrströmungsweg platziert ist, welcher derart angeordnet ist, um ein Kathodengas einer Brennstoffzelle zuzuführen; ein erstes motorbetriebenes Ventil, welches zwischen der Brennstoffzelle und dem Kompressor in dem Zufuhrströmungsweg platziert ist; einen ersten Schrittmotor, welcher in dem ersten motorbetriebenen Ventil ausgebildet ist; ein zweites motorbetriebenes Ventil, welches in einem Auslassströmungsweg platziert ist, welcher angeordnet ist, um das Kathodengas von der Brennstoffzelle auszulassen; einen zweiten Schrittmotor, welcher in dem zweiten motorbetriebenen Ventil ausgebildet ist; und einen Kontroller auf, welcher derart konfiguriert ist, um eine Leistungserzeugung der Brennstoffzelle steuern und Antriebsimpulse bzw. Steuerimpulse in den ersten Schrittmotor und den zweiten Schrittmotor einzugeben, um so das erste motorbetriebene Ventil und das zweite motorbetriebene Ventil bei einem Start der Brennstoffzelle zu öffnen und das erste motorbetriebene Ventil und das zweite motorbetriebene Ventil bei einem Stopp der Brennstoffzelle zu schließen. Der erste Schrittmotor wird durch die Eingabe der Antriebsimpulse betrieben und, um ein Moment zu erzeugen, um das erste motorbetriebene Ventil zu öffnen zu schließen. Der zweite Schrittmotor wird durch die Eingabe der Antriebsimpulse betrieben, um ein Moment zu erzeugen, um das zweite motorbetriebene Ventil zu öffnen und zu schließen. In dem Brennstoffzellensystem bestimmt der Kontroller, ob zumindest eines von dem ersten motorbetriebenen Ventil und dem zweiten motorbetriebenen Ventil in einem eingefrorenen Zustand bei dem Start der Brennstoffzelle ist. Wenn bestimmt wird, dass weder das erste motorbetriebene Ventil noch das zweite motorbetriebene Ventil in dem eingefrorenen Zustand ist, startet der Kontroller die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle. Wenn bestimmt wird, dass zumindest eines von dem ersten motorbetriebenen Ventil und dem zweiten motorbetriebenen Ventil in dem eingefrorenen Zustand ist, führt der Kontroller einen vordefinierten Prozess durch, welcher für mehrere Male wiederholt abwechselnd eine Eingabe eines ersten Antriebsimpulses, welches ein Moment in einer Richtung einer Zunahme einer Ventilöffnung erzeugt, und eines zweiten Antriebsimpulses, welcher eine höhere Pulsgeschwindigkeit als eine Pulsgeschwindigkeit des ersten Antriebsimpulses aufweist und ein Moment in einer Richtung einer Abnahme der Ventilöffnung erzeugt, bei einem Schrittmotor, welcher in zumindest dem motorbetriebenen Ventil in dem eingefrorenen Zustand von dem ersten Schrittmotor und dem zweiten Schrittmotor ausgebildet ist.
Das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts veranlasst, dass abwechselnd das Moment in der Ventilöffnungsrichtung und das Moment in der Ventilschließrichtung auf das motorbetriebene Ventil in dem eingefrorenen Zustand aufgebracht werden. Der erste Antriebsimpuls weist auf Basis der Charakteristik des Schrittmotors die niedrigere Pulsgeschwindigkeit als der zweite Antriebsimpuls auf, so dass das Moment in der Richtung der Zunahme der Ventilöffnung größer als das Moment in der Richtung der Abnahme der Ventilöffnung ist. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass der eingefrorene Zustand durch das Moment in der Richtung der Zunahme der Ventilöffnung beseitigt wird. Zusätzlich erzeugt die Eingabe des zweiten Antriebsimpulses in den Schrittmotor, welcher in dem motorbetriebenen Ventil in dem eingefrorenen Zustand ausgebildet ist, das Moment in der Richtung der Abnahme der Ventilöffnung. Das durch den Schrittmotor erzeugte Moment wird bei der Frequenz variiert, welche von der Pulsgeschwindigkeit des Antriebsimpulses abhängt. Eine Anwendung dieser Schwingung bzw. Vibration auf das motorbetriebene Ventil in dem eingefrorenen Zustand wird den eingefrorenen Zustand wahrscheinlicher beseitigen. Der zweite Antriebsimpuls weist die höhere Pulsgeschwindigkeit als der erste Antriebsimpuls auf. Dies erhöht die Frequenz der Momentvariation um den zweiten Antriebsimpuls. Dies macht es noch wahrscheinlicher, dass der eingefrorenen Zustand beseitig werden kann.
Bei dem Brennstoffzellensystem des obigen Aspekts kann, wenn bestimmt wird, dass zumindest eines des ersten motorbetriebenen Ventils und des zweiten motorbetriebenen Ventils in dem eingefrorenen Zustand ist, der Kontroller den vordefinierten Prozess mit Bezug auf sowohl den ersten Schrittmotor und den zweiten Schrittmotor durchführen. Diese Konfiguration benötigt nicht die Bestimmung, welches von den motorbetriebenen Ventilen in dem eingefrorenen Zustand ist.
Bei dem Brennstoffzellensystem des obigen Aspekts kann der erste Antriebsimpuls ein Impuls sein, welcher eine größere Ventilöffnung als eine Ventilöffnung ausbildet, welche einer effektiven Schnittfläche von null zwischen einem Ventilsitz und einem Ventilelement in dem ersten motorbetriebenen Ventil oder dem zweiten motorbetriebenen Ventil entspricht. Bei dem Brennstoffzellensystem dieses Aspekts erhöht eine Eingabe des ersten Antriebsimpulses in den Schrittmotor, welcher in dem motorbetriebenen Ventil in dem eingefrorenen Zustand ausgebildet ist, die Wahrscheinlichkeit, dass die effektive Schnittfläche größer als null wird, wenn der eingefrorenen Zustand beseitigt ist.
Bei dem Brennstoffzellensystem des obigen Aspekts kann der zweite Antriebsimpuls ein Impuls sein, welcher eine kleiner Ventilöffnung als eine Ventilöffnung ausbildet, welche einer effektiven Schnittfläche von null zwischen einem Ventilsitz und einem Ventilelement in dem ersten motorbetriebenen Ventil oder in dem zweiten motorbetriebenen Ventil entspricht. Bei dem Brennstoffzellensystem dieses Aspekts erhöht die Eingabe des zweiten Antriebsimpulses in den Schrittmotor, welcher in dem motorbetriebenen Ventil in dem eingefrorenen Zustand ausgebildet ist, die Wahrscheinlichkeit, dass das Ventilelement an den Ventilsitz anstößt und erhöht dadurch die Wahrscheinlichkeit, dass der eingefrorene Zustand beseitigt wird. Es ist wahrscheinlicher, dass das Ventilelement an den Ventilsitz in dem motorbetriebenen Ventil in dem eingefrorenen Zustand anstößt, wenn die Bewegung des Ventilelements in dem eingefrorenen Zustand beschränkt ist, aber das Ventilelement leicht bewegbar ist.
Bei dem Brennstoffzellensystem des obigen Aspekts kann der Kontroller den Kompressor antreiben, um eine Konzentration von Wasserstoff in einem Gas, welches von dem Auslassströmungsweg ausgelassen wird, auf oder unter einen vordefinierten wert zu senken. Bei dieser Konfiguration wird das Kathodengas dazu veranlasst, der Brennstoffzelle zugeführt zu werden, und verdünnt ein Anodengas, welches an der Kathode der Brennstoffzelle vorliegt unmittelbar nach einer Beseitigung des eingefrorenen Zustands.
Bei dem Brennstoffzellensystem des obigen Aspekts kann das erste motorbetriebene Ventil einen Mechanismus aufweisen, welcher als ein Strömungstrennventil konfiguriert ist. Das Brennstoffzellensystem kann weiter eine Umgehung aufweisen, welche derart angeordnet ist, um das erste motorbetriebene Ventil mit dem Auslassströmungsweg zu verbinden. Der Auslassströmungsweg kann mit der Umgehung an einer Position stromabwärts des zweiten motorbetriebenen Ventil verbunden sein. Das Brennstoffzellensystem kann in einem Zustand gestoppt werden, in dem das erste motorbetriebene Ventil den Zufuhrströmungsweg mit der Umgehung verbindet. Selbst wenn der Kompressor in dem Zustand betrieben wird, in dem das erste motorbetriebene Ventil eingefroren ist, veranlasst diese Konfiguration, dass die verdichtete Luft zur Umgebung ausgelassen wird, und verhindert dadurch, dass der Druck in dem Zufuhrströmungsweg übermäßig zunimmt.
Das Brennstoffzellensystem des obigen Aspekts kann zudem eine Sekundärbatterie, welche konfiguriert ist, um elektrische Leistung, welche durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, zu sammeln und die gesammelte elektrische Leistung dem ersten motorbetriebenen Ventil, dem zweiten motorbetriebenen Ventil und dem Kontroller zuzuführen, um den vordefinierten Prozess durchzuführen. Der Kontroller kann den vordefinierten Prozess stoppen, wenn ein Ladezustand der Sekundärbatterie niedriger als ein Referenzwert wird. Diese Konfiguration verhindert, dass der Ladezustand der Sekundärbatterie übermäßig abnimmt.
Bei dem Brennstoffzellensystem des obigen Aspekts kann der Kontroller den Kompressor antreiben, einen Antriebsimpuls zum Öffnen des ersten motorbetriebenen Ventils in den ersten Schrittmotor eingeben, und einen Antriebsimpuls zum Öffnen des zweiten motorbetriebenen Ventils zu dem zweiten Schrittmotor bei dem Start der Brennstoffzelle eingeben, um auf Basis, ob die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle normal gestartet wird oder nicht, zu bestimmen, ob zumindest eines von dem ersten motorbetriebenen Ventil und dem zweiten motorbetriebenen Ventil in dem eingefrorenen Zustand ist. Diese Konfiguration verwendet die Konfiguration zur Leistungserzeugung, um zu bestimmen, ob das motorbetriebene Ventil eingefroren ist.
Bei dem Brennstoffzellensystem des obigen Aspekts kann der erste Antriebsimpuls, welcher in den ersten Schrittmotor eingegeben wird, und der erste Antriebsimpuls, welcher in den zweiten Schrittmotor eingegeben wird, unterschiedliche Pulsgeschwindigkeiten aufweisen, und der zweite Antriebsimpuls, welcher in den ersten Schrittmotor eingegeben wird, und der zweite Antriebsimpuls, welcher in den zweiten Schrittmotor eingegeben wird, kann unterschiedliche Pulsgeschwindigkeiten aufweisen. Diese Konfiguration bildet jeweils für das erste motorbetriebene Ventil und das zweite motorbetriebene Ventil geeignete Antriebsimpulse aus.
Die Erfindung kann durch irgendeinen anderen als die oben beschriebenen Aspekte implementiert werden, beispielsweise ein Eingefrorenes-Zustands-Beseitigungsverfahren, ein Computerprogramm, welcher konfiguriert ist, um dieses Verfahren zu implementieren, und ein nicht flüchtiges Speichermedium, in welchem das Computerprogramm gespeichert ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockkonfigurationsdiagramm, welche die schematische Konfiguration eines Brennstoffzellenfahrzeugs darstellt;
2 ist ein schematisches Diagramm, welches die elektrische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems darstellt;
3 ist ein Flussdiagramm, welches einen Aktivierungsprozess des Brennstoffzellensystems darstellt;
4 ist ein Flussdiagramm, welches einen Grundprozess darstellt;
5 ist ein Zeitdiagramm, welches zeitliche Änderungen jeweiliger Parameter darstellt, welche in dem Grundprozess beteiligt sind;
6 ist ein Graph, welcher schematisch ein Verhältnis einer effektiven Schnittfläche zu einer Öffnung eines Druckreglers darstellt;
7 ist ein Zeitdiagramm während eines Eingefrorenen-Zustand-Beseitigungsprozesses;
8 ist ein Zeitdiagramm, welches ein Verhältnis eines Öffnungsbefehlswerts und einer geschätzten Öffnung zu einer Pulsspannung und einem Moment darstellt;
9 ist ein Zeitdiagramm, welches ein Verhältnis eines ersten Antriebsimpulses zu einem Moment darstellt;
10 ist ein Zeitdiagramm, welches ein Verhältnis eines zweiten Antriebsimpulses zu einem Moment darstellt; und
11 ist ein Flussdiagramm, welches einen Stoppprozess darstellt.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist ein Blockkonfigurationsdiagramm, welche die schematische Konfiguration eines Brennstoffzellenfahrzeugs 20 darstellt. Das Brennstoffzellenfahrzeug 20 ist ein vierrädriges Fahrzeug und enthält ein Brennstoffzellensystem 30, wie in 1 dargestellt.
Das Brennstoffzellensystem 30 verwendet Polymerelektrolytbrennstoffzellen um elektrische Leistung durch die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu erzeugen. Wie in 1 dargestellt, enthält das Brennstoffzellensystem 30 einen Brennstoffzellenstapel 40, einen Wasserstoffzufuhrauslassmechanismus 50, einen Kathodengaszufuhrauslassmechanismus 60, einen Kühlwasserzirkulationsmechanismus 70 und einen Kontroller 100.
Der Brennstoffzellenstapel 40 ist durch Stapeln einer Mehrzahl von Zelleinheiten 41 gebildet. Jede Zelleinheit 41 enthält eine Anode, eine Kathode, eine Elektrolytmembran und Separatoren. In der Beschreibung dieser werden die Anoden der Mehrzahl von Zelleinheiten 41 gesammelt als „Anode” und die Kathoden der Mehrzahl von Zelleinheiten 41 gesammelt als „Kathode” bezeichnet.
Der Wasserstoffzufuhrauslassmechanismus 50 ist konfiguriert, um Wasserstoff von und zu dem Brennstoffzellenstapel 40 zuzuführen und auszulassen, und enthält einen Wasserstofftank 51, einen Regler 52, eine Wasserstoffzirkulationspumpe 53, ein Spülventil 54, eine Auslassleitung 55 und einen Gasflüssigkeitsseparator 57.
Der Wasserstofftank 51 speichert Wasserstoff. Der Regler 52 führt den in dem Wasserstofftank 51 gespeichert Wasserstoff mit einem Regeln dessen Drucks und Zufuhrvolumens der Anode zu. Der Gasflüssigkeitsseparator 57 fungiert dazu einen Auslass von der Anode in Gas und Flüssigkeit zu separieren. Die Wasserstoffzirkulationspumpe 53 führt das Gas, welches durch den Gasflüssigkeitsseparator 57 separiert wurde, zu den Zelleinheiten 41 zurück. Das Gas, welches durch den Gasflüssigkeitsseparator 57 separiert wurde, besteht hauptsächlich aus Wasserstoff, welcher nicht verbraucht wurde und wird ausgelassen.
Die Auslassleistung 55 ist ein Leitungsweg, welcher angeordnet ist, um den Gasflüssigkeitsseparator 57 mit einem Kathodengasauslassströmungsweg 66 zu verbinden, welcher in dem Kathodengaszufuhrauslassmechanismus 60 (welcher später beschrieben wird) ausgebildet ist. Das Spülventil 54 ist an der Auslassleitung 55 ausgebildet. Das Spülventil 54 ist geöffnet, um die Flüssigkeit, welche durch den Gasflüssigkeitsseparator 57 separiert wurde, auszulassen.
Der Kathodengaszufuhrauslassmechanismus 60 ist derart konfiguriert, um Kathodengas zu und von dem Brennstoffzellenstapel 40 zuzufüren und auszulassen und enthält einen Kathodengaszufuhrströmungsweg 61, ein erstes motorbetriebenes Ventil 11, eine zweites motorbetriebenes Ventil 12, einen Luftkompressor 62, einen Durchflussmesser 65, einen Kathodengasauslassströmungsweg 66 und eine Umgehung bzw. Umgehungsleitung 69. Das erste motorbetriebene Ventil 11 enthält ein Strömungstrennventil 63 und einen Strömungstrennventilmotor 64. Das zweite motorbetriebene Ventil 12 enthält einen Druckregler 67 und einen Druckregelmotor 68.
Der Kathodengaszufuhrströmungsweg 61 und der Kathodengasauslassströmungsweg 66 sind als Strömungswege ausgebildet, welcher angeordnet sind, um den Brennstoffzellenstapel 40 mit den jeweiligen Luftöffnungen von diesem zu verbinden. Ein Luftfilter ist an der Luftöffnung des Kathodengaszufuhrströmungswegs 61 ausgebildet.
Der Luftkompressor 62 ist in der Mitte des Kathodengaszufuhrströmungswegs 61 ausgebildet, um die Luft von der Luftöffnung des Kathodengaszufuhrströmungswegs 61 einzulassen bzw. einzusaugen und die Ansaugluft zu verdichten. Der Luftkompressor 62 ist an einer Position platziert, die näher an der Luftöffnung als einem Verbindungspunkt des Kathodengaszufuhrströmungswegs 61 und der Umgehung 69 ist. Der Durchflussmesser 65 misst die Strömungsrate des Kathodengases (der Luft), welches durch den Luftkompressor 62 angesaugt wurde.
Das Strömungstrennventil 63 ist in dem Kathodengaszufuhrströmungsweg 61 ausgebildet, um stromabwärts des Luftkompressors 62 platziert zu sein oder in anderen Worten zwischen dem Luftkompressor 62 und dem Brennstoffzellenstapel 40. Das Strömungstrennventil 63 trennt die Strömung des Kathodengases, welches von dem Luftkompressor 62 ausströmt, in eine stromabwärts gelegene Seite des Kathodengaszufuhrströmungswegs 61 und die Umgehung 69. Dieses Strömungstrennventil 63 ist ein Drei-Wegeventil.
Der Strömungstrennventilmotor 64 ist mit dem Strömungstrennventil 63 verbunden, um ein Moment zum Regulieren der Öffnung des Strömungstrennventils 63 zu erzeugen. Der Strömungstrennventilmotor 64 ist ein Schrittmotor.
Die Umgehung 69 bzw. Bypass 69 ist ein Strömungsweg, welcher angeordnet ist, um das Strömungstrennventil 63 mit dem Kathodengasauslassströmungsweg 66 zu verbinden. In dieser Ausführungsform meint „Schließen des Strömungstrennventils 63” Schließen des Strömungswegs, welcher die Stromaufwärtsseite mit der Stromabwärtsseite des Kathodengaszufuhrströmungsweg 61 verbindet, und Öffnen des Strömungswegs, welches die Stromaufwärtsseite des Kathodengaszufuhrströmungswegs 61 mit dem Bypass 69 verbindet. Als Reaktion auf eine Eingabe eines Antriebsimpulses zum Schließen des Strömungstrennventils 63 wird ein Ventilelements des Strömungstrennventils 63 gegen einen Ventilsitz des Strömungstrennventils 63 mit einer stärkeren Kraft gedrückt als der einfachen Kontaktkraft und wird dadurch gegen den Ventilsitz des Strömungstrennventils 63 gedrückt bzw. verschließt mit dem Ventilsitz.
Der Druckregler 67 ist in dem Kathodengasauslassströmungsweg 66 ausgebildet. Der Druckregler 67 reguliert die Strömungsleitungsfläche des Kathodengasauslassströmungswegs 66 entsprechend seiner Öffnung. In Reaktion auf eine Eingabe eines Antriebsimpulses zum Schließen des Druckreglers 67 wird ein Ventilelement des Druckreglers 67 gegen einen Ventilsitz des Druckregler 67 mit der stärkeren Kraft als der einfachen Kontaktkraft gedrückt und wird dadurch gegen den Ventilsitz des Druckreglers 67 gedrückt bzw. verschließt mit dem Ventilsitz. Der Druckregler 67 enthält ein Pilotventil (nicht dargestellt). Das Pilotventil ist ein Mechanismus, welcher derart fungiert, um eine Druckdifferenz zwischen der Stromaufwärtsseite und der Stromabwärtsseite des Kathodengasauslassströmungswegs 66 in dem Zustand zu reduzieren, in welchem die Öffnung des Kathodengasauslassströmungswegs 66 gleich null ist.
Der Druckregelmotor 68 ist mit dem Druckregler 67 verbunden, um ein Moment zum Regulieren der Öffnung des Druckreglers 67 zu erzeugen. Der Druckregelmotor 68 ist ein Schrittmotor.
Das durch den Druckregler 67 strömende Kathodengas strömt durch den Verbindungspunkt mit der Umgehung 69 und wird zu der Umgebung durch die Luftöffnung entlassen.
Der Kühlwasserzirkulationsmechanismus 70 ist konfiguriert, um den Brennstoffzellenstapel 40 zu kühlen, und enthält einen Radiator 71 und eine Kühlwasserzirkulationspumpe 72. Der Kühlwasserzirkulationsmechanismus 70 zirkuliert Kühlwasser zwischen den Einheitszellen 41 und dem Radiator 71, um die Betriebstemperatur der Einheitszellen 41 zu steuern. Eine solche Zirkulation von Kühlwasser führt zu einer Wärmeabsorption in den Einheitszellen 41 und einer Wärmeabgabe im Radiator 71.
Genauer ist der Kontroller 100 eine ECU (elektronische Steuereinheit). Der Kontroller 100 gibt Signale zum Steuern der Leistungserzeugung des Brennstoffzellensystems 30 in Reaktion auf eine Anfrage zur Leistungserzeugung aus. Der Kontroller 100 gibt beispielsweise Befehle an den Luftkompressor 62, den Strömungstrennventilmotor 64 und den Druckregelmotor 68 aus.
2 ist ein schematisches Diagramm, welche die elektrische Konfiguration des Brennstoffzellensystems 30 darstellt. Das Brennstoffzellensystem 30 enthält eine Sekundärbatterie 81, einen FDC 82, einen DC-AC-Wandler 83, einen BDC 85, eine Zellspannungsmesseinheit 91 und eine Strommesseinheit 92.
Die Zellspannungsmesseinheit 91 ist mit jeder der Zelleinheiten 41 des Brennstoffzellenstapels 40 verbunden, um die Spannung jeder Einheitszelle 41 (Zellspannung) zu messen. Die Zellspannungsmesseinheit 91 sendet die Messresultate zu dem Kontroller 100. Die Strommesseinheit 92 misst den Wert des Ausgabestroms von dem Brennstoffzellenstapel 40 und sendet den gemessenen Wert zu dem Kontroller 100.
Der FDC 82 und der BDC 85 sind Schaltkreise, welche als DC-DC-Wandler ausgebildet sind. Der FDC 82 steuert den Ausgabestrom von dem Brennstoffzellenstapel 40 auf Basis eines von dem Kontroller 100 gesendeten Strombefehlswerts. Der Strombefehlswert kennzeichnet einen Sollwert des Ausgabestroms von dem Brennstoffzellenstapel 40 und wird durch den Kontroller 100 bestimmt. Der FDC 82 transformiert auch die Ausgabespannung und führt die transformierte Ausgabespannung dem DC-AC-Wandler 83 zu, während der Wert der Ausgabespannung gemessen und der gemessene Wert zu dem Kontroller 100 gesendet wird.
Der BDC 85 steuert ein Laden und Entladen der Sekundärbatterie 81 unter der Steuerung des Kontrollers 100. Der BDC 85 misst den SOC (Ladezustand) der Sekundärbatterie 81 und sendet den gemessenen SOC zu dem Kontroller 100. Die Sekundärbatterie 81 besteht aus einer Lithiumionenbatterie und fungiert als eine Hilfsleistungsquelle.
Der DC-AC-Wandler 83 ist mit dem Brennstoffzellenstapel 40 und einer Last 110 verbunden. Der DC-AC-Wandler 83 wandelt eine DC-Ausgabeleistung von dem Brennstoffzellenstapel 40 oder der Sekundärbatterie 81 in eine AC-Leistung und führt die AC-Leistung der Last 110 zu.
Die regenerative elektrische Leistung, welche durch die Last 110 erzeugt wird, wird in einen DC-Strom durch den DC-AC-Wandler 83 gewandelt und wird in die Sekundärbatterie 81 durch den BDC 85 geladen. Der Kontroller 100 berechnet einen Ausgabebefehlswert indem neben der Last 110 der SOC der Sekundärbatterie 81 berücksichtigt wird.
3 ist ein Flussdiagramm, welches einen Aktivierungsprozess des Brennstoffzellensystems 30 darstellt. Dieser Aktivierungsprozess wird durch den Kontroller 100 durchgeführt. Der Kontroller 100 startet diesen Aktivierungsprozess, um das Brennstoffzellensystem 30 zu starten. Das Brennstoffzellensystem 30 wird beispielsweise gestartet, wenn der Fahrer einen Zündschalter bzw. Leistungsschalter (nicht dargestellt) drückt, welcher in dem Brennstoffzellenfahrzeug 20 ausgebildet ist, während er ein Bremspedal (nicht dargestellt) in dem Zustand drückt, in dem das Brennstoffzellenfahrzeug 20 geparkt ist.
Der Kontroller 100 führt zuerst einen Grundprozess (S200) durch. 4 ist ein Flussdiagramm, welches den Grundprozess darstellt. 5 ist ein Zeitdiagramm, welches den zeitlichen Verlauf bzw. die Zeitänderung der jeweiligen Parameter darstellt, welche an dem Grundprozess beteiligt sind. Der Grundprozess ist nachfolgend mit Bezug auf 4 und 5 beschrieben.
Der Kontroller 100 startet zuerst den Luftkompressor 62 (S210). In dem in 5 dargestellten Beispiel beginnt dieser zu der Zeit t0 die Strömungsrate des Kathodengases zu erhöhen, welche durch den Durchflussmesser 65 gemessen wird, um die Strömungsrate auf oder über einem vordefinierten Wert sicherzustellen. Zu diesem Moment sind das Strömungstrennventil 63 und der Druckregler 67 geschlossen, so dass das Kathodengas durch die Umgehung 69 strömt und von dem Kathodengasauslassströmungsweg 66 an die Umgebung ausgelassen wird.
Der Kontroller 100 betreibt nachfolgend das Pilotventil des Druckreglers 67 (S220). Während dem Parken besteht die Möglichkeit, dass ein Unterdruck in dem Strömungsweg erzeugt wird, welcher von der Umgebung durch das Strömungstrennventil 63 und den Druckregler 67 getrennt ist. In dem Fall, in welchem ein Unterdruck erzeugt wird, wird ein großes Moment benötigt, um den Druckregler 67 zu öffnen. Mit Blick auf ein Öffnen des Druckreglers 67 durch das Moment, welches durch den Druckerzeugungsmotor 68 bzw. Druckregelmotor 68 erzeugt wird, wird das Pilotventil betrieben, um die Druckdifferenz zwischen der Stromaufwärtsseite und der Stromabwärtsseite des Druckreglers 67 zu reduzieren.
Der Kontroller 100 öffnet dann den Druckregler 67 (S230). Noch genauer gibt der Kontroller 100 einen Antriebsimpuls zu dem Druckregelmotor 68 aus, um ein Moment in einer Richtung des Öffnens des Druckreglers 67 zu erzeugen. Wenn der Druckregler 67 das Moment von dem Druckregelmotor 68 aufnimmt, wird er in einem nicht eingefrorenem Zustand geöffnet, aber wird in einem eingefrorenen Zustand nicht geöffnet. Der Druckregelmotor 68 überspringt Schritte bzw. lässt Schritte aus, wenn der Druckregler 67 nicht durch die Eingabe des Moments geöffnet wird. In der unteren Beschreibung wird angenommen, dass der Druckregler 67 in dem nicht eingefrorenen Zustand ist und durch die Eingabe des Antriebsimpulses geöffnet und geschlossen wird, solange dies nicht anders spezifiziert ist. Das gleiche gilt für das Strömungstrennventil 63.
In dem in 5 dargestellten Beispiel wird ein Öffnungsbefehlswert bei einer Öffnung a1 von der Zeit t1 beibehalten bis eine geschätzte Öffnung die Öffnung a1 erreicht und die geschätzte Öffnung die Öffnung a1 annimmt. Der Öffnungsbefehlswert kennzeichnet einen Sollwert der Öffnung. Die geschätzt Öffnung kennzeichnet eine Öffnung, welche aus Basis des Eingabeantriebsimpulses geschätzt wird. Der Druckregelmotor 68, welcher als der Schrittmotor ausgebildet ist, weist nicht den Positionserfassungsmechanismus auf, so dass die Öffnung des Druckreglers 67 als ein geschätzter Wert erhalten wird. Die geschätzte Öffnung ist in dem Fall nahe bei der tatsächlichen Öffnung, in dem der Druckregler 67 nicht eingefroren ist. Die Beschreibung, welche den Öffnungsbefehlswert und die geschätzt Öffnung betrifft, wird auch bei dem Strömungstrennventil 63 und dem Strömungstrennventilmotor 64 verwendet.
6 ist ein Graph, welcher schematisch ein Verhältnis der effektiven Schnittfläche durch das Ventilelement und den Ventilsitz des Druckreglers 67 zu der Öffnung darstellt. Aufgrund der Dichtstruktur durch das Ventilelement und den Ventilsitz wird die effektive Schnittfläche auch dann bei null gehalten, wenn sich die Öffnung leicht von null erhöht, wie in 6 dargestellt ist. Eine Öffnung a0 kennzeichnet eine Öffnung, bei welcher die Dichtung gelöst wird und die effektive Schnittfläche zuzunehmen beginnt. Die oben genannte Öffnung a1 wird als eine Öffnung bestimmt, welche größer als die Öffnung a0 ist und kleiner als eine Öffnung amax ist, welche ein Maximalwert der Öffnung ist. Eine Fläche Sa kennzeichnet eine effektive Schnittfläche bei der Öffnung a1, wie in 6 dargestellt. Die Öffnung von null ist kleiner als die Öffnung a0. Der Kontroller 100 gibt einen Antriebsimpuls zu dem Druckregelmotor 68 bei S230 aus, um die Öffnung a1 auszubilden.
Bezüglich des Strömungstrennventils 63 kennzeichnet eine Öffnung b0 eine Öffnung, bei welcher die effektive Schnittfläche zuzunehmen beginnt; eine Öffnung bmax kennzeichnet einen Maximalwert der Öffnung; eine Öffnung b1 (welche später beschrieben wird) kennzeichnet eine Öffnung, welche bestimmt wird größer als die Öffnung b0 und kleiner als die Öffnung bmax zu sein; und eine Fläche Sb kennzeichnet eine effektive Schnittfläche bei der Öffnung b1. Dies beschreibt nur das schematische Verhältnis zwischen der effektiven Schnittfläche und der Öffnung mit Bezug zu jedem von dem Strömungstrennventil 63 und dem Druckregler 67. Gemäß dieser Ausführungsform sind beispielsweise die Öffnung a0 und die Öffnung b0 unterschiedliche Werte, die Öffnung a1 und die Öffnung b1 unterschiedliche Werte, und die Fläche Sa und die Fläche Sb unterschiedliche Werte.
Wenn der Druckregler 67 geöffnet wird, wird der Druck an der Kathode nahe dem Innendruck des Kathodengasauslassströmungswegs 66. Dies resultiert in einer Abnahme der Druckdifferenz zwischen der Stromaufwärtsseite und der Stromabwärtsseite des Strömungstrennventils 63, so dass kein großes Moment benötigt wird, um das Strömungstrennventil 63 zu öffnen.
Der Kontroller 100 schließt nachfolgend den Druckregler 67 (S240). Noch genauer gibt der Kontroller 100 einen Antriebsimpuls zu dem Druckregelmotor 68 aus, um ein Moment in einer Richtung des Schließens des Druckreglers 67 zu erzeugen. In dem in 5 dargestellten Beispiel wird der Öffnungsbefehlswert auf null eingestellt nachdem die geschätzt Öffnung die Öffnung a1 erreicht und die geschätzt Öffnung dann auf null zugeht bzw. zu null konvergiert.
Nachfolgend öffnet der Kontroller 100 das Strömungstrennventil 63 (S250). In dem in 5 dargestellten Beispiel wird der Öffnungsbefehlswert auf die Öffnung b1 zu der Zeit t3 eingestellt und die geschätzt Öffnung erreicht die Öffnung b1. Im Ergebnis strömt das Kathodengas in die Kathode. Das Einströmen des Kathodengases zu der Kathode verdünnt Wasserstoff, welches an der Kathode vorliegt.
Der Kontroller 100 öffnet dann allmählich bzw. schrittweise den Druckregler 67 (S260). In dem in 5 dargestellten Beispiel wird der Öffnungsbefehlswert auf einen kleineren Wert als die Öffnung a1 zu dem Zeitpunkt t4 eingestellt und wird nach der Zeit t5 allmählich erhöht. In dem in 5 dargestellten Beispiel steigt die geschätzte Öffnung mit einer Zunahme des Öffnungsbefehlswerts.
Nach der Zeit t4 wird Wasserstoff, welches an der Kathode ist, mit dem Kathodengas verdünnt und wird allmählich vom dem Kathodengasauslassströmungsweg 66 ausgelassen. Im Ergebnis wird die Konzentration von Wasserstoff in dem von dem Kathodengasauslassströmungsweg 66 auf oder unter einen vordefinierten Wert (beispielsweise 8%) gesenkt. Dies geschieht für die Zufuhr des für die Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 40 benötigten Kathodengases.
Nach der Zeit t4, zu welcher der Druckregler 67 allmählich geöffnet wird, wie in 3 dargestellt, bestimmt der Kontroller 100, ob das kathodenseitige Ventil eingefroren ist (S300). Der Zustand, dass „das kathodenseitige Ventil eingefroren ist” bedeutet, dass der Zustand, dass zumindest eines von dem Strömungstrennventil 63 und dem Druckregler 67 eingefroren ist. Das Strömungstrennventil 63 kann in dem eingefrorenen Zustand nicht durch das Moment geöffnet werden, welches durch den Strömungstrennventilmotor 64 in dem Grundprozess erzeugt wird. Ähnlich kann der Druckregler 67 in dem eingefrorenen Zustand nicht durch das Moment geöffnet werden, das durch den Druckregelmotor 68 in dem Grundprozess erzeugt wird.
Gemäß dieser Ausführungsform führt der Kontroller 100 auf Basis der Werte des Ausgabestroms und der Ausgabespannung die Bestimmung mit Bezug auf den eingefrorenen Zustand bei S300 durch. Noch genauer bestimmt der Kontroller 100, ob sowohl der Ausgabestrom und die Ausgabespannung mit Werten übereinstimmen, welche einen Normalstart der Leistungserzeugung durch das Brennstoffzellensystem 30 zulassen. Noch genauer bestimmt der Kontroller 100, dass das kathodenseitige Ventil eingefroren ist, wenn zumindest eine der Bedingungen, dass der Ausgabestrom größer als ein untere Grenzwertstrom Imin ist, welcher einen Stromwert kennzeichnet, der während einer Leistungserzeugung mit dem verbleibenden Sauerstoff an der Kathode ermittelt wurde, und dass die Ausgabespannung größer als ein vordefinierter untere Spannungsgrenzwert Vmin ist, nicht erfüllt ist. Der Grund einer solchen Bestimmung ist, dass es wahrscheinlicher ist, dass das kathodenseitige Ventil in dem eingefrorenen Zustand den Grundprozess (S200) nicht ausführen kann, und einen Normalstart der Leistungserzeugung nicht ausführen kann.
Wenn beispielsweise das Strömungstrennventil 63 als das kathodenseitige Ventil in dem eingefrorenen Zustand eingefroren ist, ist der Grund für einen Fehler in dem Grundprozess, dass das Strömungstrennventil 63 nicht bei S250 geöffnet werden kann.
Wenn der Druckregler 67 eingefroren ist, ist auf der anderen Seite der Grund eines Fehlers in dem Grundprozess, dass der Druckregler 67 bei S230 nicht geöffnet werden kann und das Strömungstrennventil 63 selbst in dem nicht eingefrorenen Zustand dadurch nicht bei S250 geöffnet werden kann. In dem Fall, in dem der Druckregler 67 eingefroren ist, kann das Strömungstrennventil 63 selbst in dem nicht eingefrorenen Zustand nicht geöffnet werden. Der Grund hierfür ist, dass bei einer niedrigen Umgebungstemperatur, wie beispielsweise um den Druckregler 67 zu gefrieren, die Wahrscheinlichkeit hoch ist, dass in dem Strömungsweg, welcher durch das Strömungstrennventil 63 und den Druckregler 67 von der Umgebung getrennt ist, ein Unterdruck erzeugt wird. Wie oben beschrieben ist es schwierig, das Strömungstrennventil 63 durch das durch den Strömungstrennventilmotor 64 erzeugte Moment zu stauchen, solange der Unterdruck nicht durch Verwenden des Druckreglers 67 gelöst wird.
Zusammengefasst kann in dem Fall, in dem das Strömungstrennventil 63 eingefroren ist und der Druckregler 67 nicht eingefroren ist, das Strömungstrennventil 63 nicht geöffnet werden, aber der Druckregler 67 kann geöffnet werden. In dem Fall, in dem das Strömungstrennventil 63 nicht eingefroren ist, und der Druckregler 67 eingefroren ist, kann auf der anderen Seite weder das Strömungstrennventil 63 noch der Druckregel 67 geöffnet werden. In dem Fall, in dem sowohl das Strömungstrennventil 63 und der Druckregler 67 eingefroren sind, kann weder das Strömungstrennventil 63 noch der Druckregler 67 geöffnet werden.
Wenn das kathodenseitige Ventil nicht eingefroren ist (S300: Nein), startet der Kontroller 100 den Normalbetrieb (S310) und beendet den Aktivierungsprozess. Der Normalbetrieb hierin bedeutet eine Leistungserzeugung in Reaktion auf eine benötigte Leistung. Mit anderen Worten, wenn bestimmt wird, dass das kathodenseitige Ventil nicht eingefroren ist, startet der Kontroller 100 eine Leistungserzeugung des Brennstoffzellensystems 30.
In dem aus 5 dargestellten Beispiel übersteigt die Ausgabespannung nach der Zeit t4 den unteren Grenzspannungswert Vmin und der Ausgabestrom übersteigt den unteren Grenzspannungswert Imin, so dass bestimmt werden kann, dass das kathodenseitige Ventil nicht eingefroren ist. In dem Fall des Startens des Normalbetriebs wird die Öffnung des Strömungstrennventils 63 auf eine vollständig geöffnete Position eingestellt.
Wenn das kathodenseitige Ventil eingefroren ist (S300: Ja) ermittelt der Kontroller 100 auf der anderen Seite den SOC der Sekundärbatterie 81 (S320). Der ermittelte SOC wird für den später beschriebenen Prozess bei S350 verwendet. Der Kontroller 100 führt nachfolgend einen Eingefrorenen-Zustand-Beseitigungsprozess durch (S330).
7 ist ein Zeitdiagramm während des Eingefrorenen-Zustand-Beseitigungsprozesses. Der Eingefrorene-Zustand-Beseitigungsprozess beginnt bei der Zeit t6, wenn die geschätzt Öffnung des Strömungstrennventils 63 die Öffnung a1 erreicht.
Wenn der Eingefrorene-Zustand-Beseitigungsprozess gestartet wurde, behält der Luftkompressor 62 die Kompression des Kathodengases bei, während die Strömungsrate des Kathodengases, wie in 7 dargestellt, verringert wird bzw. abnimmt.
Der Öffnungsbefehlswert des Strömungstrennventils 63 wird derart eingestellt, dass die geschätzte Öffnung eine Zunahme und eine Abnahme wiederholt. Der Maximalwert der geschätzten Öffnung ist die Öffnung a1 und der Minimalwert der geschätzten Öffnung ist null. Eine Zeitspanne Tac kennzeichnet eine Zeitdauer, wenn die geschätzte Öffnung in einem Zyklus des Zunehmens und Abnehmens der geschätzten Öffnung abnimmt. Der Öffnungsbefehlswert wird während dieser Zeitspanne Tac bei null gehalten. Eine Zeitspanne Tao kennzeichnet eine Zeitdauer, wenn die geschätzte Öffnung in einem Zyklus zunimmt. Der Öffnungsbefehlswert wird während dieser Zeitspanne Tao bei der Öffnung a1 beibehalten. Ein Zyklus eines Zunehmens und Abnehmens der geschätzten Öffnung ist dementsprechend gleich einer Zeitspanne (Tac + Tao). Die Zeitspanne Tao ist länger als die Zeitspanne Tac. Dementsprechend weist die abnehmende geschätzte Öffnung einen größeren Absolutwert der Änderungsrate der geschätzten Öffnung auf als die zunehmende geschätzte Öffnung.
Ähnlich wird der Öffnungsbefehlswert des Druckreglers 67 während dem Eingefrorenen-Zustand-Beseitigungsprozess derart eingestellt, dass die geschätzt Öffnung ein Zunehmen und Abnehmen wiederholt. Der Maximalwert der geschätzten Öffnung ist die Öffnung b1 und der Minimalwert der geschätzten Öffnung ist null. Eine Zeitspanne Tbc kennzeichnet eine Zeitspanne, wenn die geschätzte Öffnung in einem Zyklus abnimmt. Der Öffnungsbefehlswert wird in dieser Zeitspanne Tbc bei null gehalten. Eine Zeitspanne Tbo kennzeichnet eine Zeitdauer, wenn die geschätzt Öffnung in einem Zyklus zunimmt. Der Öffnungsbefehlswert wird bei der Öffnung b1 in dieser Zeitspanne Tbo gehalten. Ein Zyklus eines Zunehmens und eines Abnehmens der geschätzten Öffnung ist dementsprechend gleich einer Zeitspanne (Tbc + Tbo). Die Zeitspanne Tbo ist länger als die Zeitspanne Tbc. Dementsprechend weist die abnehmende geschätzte Öffnung einen größeren Absolutwert der Änderungsrate der geschätzten Öffnung als die zunehmende geschätzte Öffnung auf.
8 ist ein Zeitdiagramm, welches ein Verhältnis des Öffnungsbefehlswerts und der geschätzten Öffnung zu der Pulsspannung (Spannung des Antriebsimpulses) und des Moments darstellt, welches durch den Druckregelmotor 68 mit Bezug auf den Druckregler 67 erzeugt wird.
Gemäß dieser Ausführungsform wird der Antriebsimpuls zum Zunehmen der Öffnung als ein positiver Wert ausgebildet und der Antriebsimpuls zum Abnehmen der Öffnung wird als ein negativer Wert ausgebildet. Nachfolgend wird der Antriebsimpuls zum Zunehmen der Öffnung in dem Eingefrorenen-Zustand-Beseitigungsprozess als erster Antriebsimpuls bezeichnet und der Antriebsimpuls zum Abnehmen der Öffnung in dem Eingefrorenen-Zustand-Beseitigungsprozess wird als zweiter Antriebsimpuls bezeichnet. Gemäß dieser Ausführungsform wird das Moment in der Richtung des Zunehmens der Öffnung als ein positiver Wert ausgebildet und das Moment in der Richtung des Abnehmens der Öffnung wird als ein negativer Wert ausgebildet. 8 zeigt Variationen in einem Zyklus des Zunehmens und Abnehmens der geschätzten Öffnung.
Die nachfolgende Beschreibung ist auch auf das Strömungstrennventil 63 anwendbar. Die Pulsgeschwindigkeit des ersten zu dem Strömungstrennventilmotor 64 eingegebenen Antriebsimpulses und die Pulsgeschwindigkeit des ersten in den Druckregelmotor 68 eingegebenen Antriebsimpulses müssen jedoch nicht miteinander übereinstimmen und sind gemäß dieser Ausführungsform unterschiedliche Werte. Ähnlich müssen die Pulsgeschwindigkeit des zweiten in den Strömungstrennventilmotor 64 eingegebenen Antriebsimpulses und die Pulsgeschwindigkeit des zweiten in den Druckregelmotor 68 eingegebenen Antriebsimpulses nicht notwendigerweise miteinander übereinstimmen und sind gemäß dieser Ausführungsform unterschiedliche Werte.
Die Pulsgeschwindigkeit des ersten Antriebsimpulses ist eine Pulsgeschwindigkeit P1 (Puls pro Sekunde) und die Pulsspanne des ersten Antriebsimpulses ist (1/P1) Sekunden, wie in 8 dargestellt ist. Die Pulsgeschwindigkeit des zweiten Antriebsimpulses ist eine Pulsgeschwindigkeit P2 und die Pulsspanne des zweiten Antriebsimpulses ist (1/P2) Sekunden, wie in 8 dargestellt. Wie aus 8 ersichtlich wird, ist (1/P1) Sekunden länger als (1/P2) Sekunden. Mit anderen Worden ist die Pulsgeschwindigkeit P2 höher als die Pulsgeschwindigkeit P1. Die Pulsgeschwindigkeit P2 wird auf einen Wert eingestellt, der kleiner als die Pulsgeschwindigkeit ist, welche ein Zurückgehen verursacht.
Das in 8 dargestellte Moment, ist ein Wert, welcher durch Anwenden der Pulsgeschwindigkeit auf die Charakteristik des Schrittmotors bestimmt wird, wobei kleine zeitliche Änderungen nicht berücksichtigt werden. Im Allgemeinen erzeugt der Schrittmotor das kleinere Moment bei der höheren Pulsgeschwindigkeit. Dementsprechend ist der Absolutwert des Ventilöffnungsmoments Tr1, welches das Moment in der Richtung der Zunahme der Öffnung ist, größer als der Absolutwert eines Ventilschließmoments Tr2, welches das Moment in der Richtung der Abnahme der Öffnung ist.
9 ist ein Zeitdiagramm, welches ein Verhältnis der Pulsspannung des ersten Antriebsimpulses zu dem Moment darstellt, welches durch den Druckregelmotor 68 erzeugt wird. Im Unterschied zu 8, zeigt 9 eine Momentvariation, welche von einer Änderung der Pulsspannung begleitet wird. Die nachfolgende Beschreibung ist auf auch den Strömungstrennventilmotor 64 anwendbar.
Wie in 9 dargestellt ist, beginnt der Absolutwert des Moments eine Zunahme bei einem Start der Eingabe der Pulsspannung und konvergiert zu einem Ventilöffnungsmaximalmoment Tr1max. Wie in 9 dargestellt, beginnt der Absolutwert des Moments bei einem Ende der Eingabe der Pulsspannung abzunehmen und wird schließlich null. Das Ventilöffnungsmoment Tr1 ist ein angenäherter Durchschnittswert dieser Momentvariation und weist einen kleineren Absolutwert als den des Ventilöffnungsmaximalmoments Tr1max auf.
10 ist ein Zeitdiagramm, welches ein Verhältnis der Pulsspannung des zweiten Antriebsimpulses zu dem durch den Druckregelmotor 68 erzeugten Moment darstellt. Wie in 10 dargestellt, beginnt der Absolutwert des Moments bei einem Start der Eingabe der Pulsspannung zuzunehmen. Der Absolutwert des Moments beginnt jedoch vor dem Konvergieren abzunehmen. Der Grund hierfür ist, dass die Eingabe der Pulsspannung beendet wird, während der Absolutwert des Moments zunimmt bzw. erhöht wird. Der Absolutwert des Moments wird nach dem Ende der Eingabe der Pulsspannung schließlich gleich bzw. zu null.
Das durch die Eingabe des zweiten Antriebsimpulses erzeugte Moment, um einen maximalen Absolutwert auszubilden, wird als ein Ventilschließmaximalmoment Tr2max bezeichnet. Das Ventilschließmoment Tr2 ist ein angenäherter Durchschnittswert dieser Momentvariation und weist den kleinen Absolutwert als den des Ventilschließmaximalmoments Tr2max auf. Der Absolutwert des maximalen Ventilöffnungsmoments Tr1max ist größer als der Absolutwert des maximalen Ventilschließmoments Tr2max.
In Reaktion auf die oben unter Bezug auf 9 und 10 beschriebene Erzeugung des Moments wird, in dem Zustand, in welchem der Druckregler 67 nicht eingefroren ist, die Öffnung des Druckreglers 67 mit einer Änderung der Anzahl der eingegebenen Impulse verändert. Dies nähert die geschätzte Öffnung der tatsächlichen Öffnung an. In dem Zustand, dass der Druckregler 67 eingefroren ist, unterscheidet sich auf der anderen Seite die geschätzte Öffnung von der tatsächlichen Öffnung, so dass der Druckregelmotor 68 Schritte überspringt bzw. auslässt. Von dem aus dem Schrittkommen bzw. Überspringen von Schritten des Druckregelmotors 68 begleitet, wird eine Vibration aufgrund der Momentvariation auf die eingefrorene Stelle aufgebracht.
Mit Bezug auf den Druckregler 67 stellt der Eingefrorene-Zustands-Beseitigungsprozess dieser Ausführungsform den Öffnungsbefehlswert vier Mal auf die Öffnung a1 und stellt nachfolgend den Öffnungsbefehlswert auf null, bevor er wie in 7 dargestellt ist, beendet wird. Die geschätzte Öffnung wird dann bei der Zeit t7, wie in 7 dargestellt ist, null. Mit Bezug zu dem Strömungstrennventil 63 stellt der Eingefrorene-Zustands-Beseitigungsprozess den Öffnungsbefehlswert vier Mal auf die Öffnung b1, bevor dieser beendet wird. Das vierte Einstellen des Öffnungsbefehlswerts auf die Öffnung b1 wird bei der Zeit t8 beendet, welche später als die Zeit t7 ist, wie in 7 dargestellt. Danach wird der Öffnungsbefehlswert bei der Öffnung b1 beibehalten.
Wenn der eingefrorene Zustand durch den Eingefrorenen-Zustands-Beseitigungsprozess beseitigt wird, wird das Strömungstrennventil 63 von der Zeit t7 bis zu der Zeit t8 geöffnet und geschlossen, während der Druckregler 67 geschlossen gehalten wird. Dies veranlasst, dass das Kathodengas in die Kathode strömt und verdünnt Wasserstoff, welche an der Kathode vorhanden ist.
Bei der Vervollständigung eines Zyklus des Eingefrorenen-Zustand-Beseitigungsprozesses bestimmt der Kontroller 100, ob das kathodenseitige Ventil eingefroren ist (S340). Der Prozess aus S340 ist ähnlich dem Prozess aus S300. Der Kontroller 100 erhöht die Strömungsrate des Kathodengases, öffnet nachfolgend den Druckregler 67 und führt auf Basis des Stromwerts und des Spannungswerts die Bestimmung durch, wie durch die Änderungen nach der Zeit t8 in 7 dargestellt ist. Wenn das kathodenseitige Ventil nicht eingefroren ist (S340: Nein), fährt der Kontroller 100 mit dem Prozess aus S310 fort, welcher oben beschrieben ist.
Wenn das kathodenseitige Ventil eingefroren ist (S340: Ja), bestimmt der Kontroller 100 auf der anderen Seite, ob eine Abnahme im SOC der Sekundärbatterie 81 einen Referenzwert (beispielsweise 5%) erreicht (S350). Wenn die Abnahme im SOC der Sekundärbatterie 81 nicht den Referenzwert (S350: Nein) erreicht, führt der Kontroller 100 den Prozess aus S330 wieder durch.
Wenn die Abnahme im SOC der Sekundärbatterie 81 den Referenzwert erreicht (S30: Ja) stoppt der Kontroller 100 auf der anderen Seite eine Aktivierung des Brennstoffzellensystems 30 (S360) und beendet den Aktivierungsprozess.
11 ist ein Flussdiagramm, welches einen Stoppprozess des Brennstoffzellensystems 30 darstellt. Dieser Stoppprozess wird durch den Kontroller 100 durchgeführt. Der Kontroller 100 startet diesen Stoppprozess, um das Brennstoffzellensystems 30 zu stoppen. Das Brennstoffzellensystem 30 wird beispielsweise gestoppt, wenn der Fahrer den Leistungsschalter drückt, um das Fahren zu stoppen und das Brennstoffzellenfahrzeug 20 zu parken.
Der Kontroller 100 schließt zuerst das Strömungstrennventil 63 und den Druckregler 67 (S410). Noch genauer gibt der Prozess aus S410 jeweils Antriebsimpulse ein, welche die Öffnungsbefehlswerte aufweisen, welche auf null eingestellt sind, in den Strömungstrennventilmotor 64 und den Druckregelmotor 68 ein. Der Kontroller 100 stoppt nachfolgend den Luftverdichter 62 (S420) und beendet diesen Stoppprozess. Dies resultiert in dem Stoppen des Brennstoffzellensystems 30 in dem Zustand, dass das erste motorbetriebene Ventil 11 betrieben wird, um die Umgehung 69 mit dem Kathodengaszufuhrströmungsweg 61 zu verbinden.
Die Konfiguration dieser Ausführungsform schafft zumindest die nachfolgenden vorteilhaften Effekte.
In dem Zustand, dass zumindest eines von dem Strömungstrennventils 63 und des Druckreglers 67 eingefroren ist, wird versucht den eingefrorene Zustand durch die Ventilöffnungs- und Ventilschließvorgänge durch den Strömungstrennventilmotor 64 und den Druckregelmotor 68, welche als die Schrittmotoren ausgebildet sind, zu beseitigen. Diese Ventilöffnungs- und Ventilschließvorgänge sind durch den ersten Antriebsimpuls und den zweiten Antriebsimpuls gekennzeichnet. Ein Verwenden sowohl des Moment in der Richtung des Zunehmens der Öffnung und des Moments in der Richtung des Abnehmens der Richtung erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass der eingefrorene Zustand beseitigt wird.
In dem Zustand, in dem nur eines von dem Strömungstrennventil 63 und dem Druckregler 67 eingefroren ist, ebenso wie in dem Zustand, in dem sowohl das Strömungstrennventil 63 und der Druckregler 67 eingefroren sind, beseitigen die Ventilöffnungs- und Ventilschließvorgänge in dem Eingefrorenen-Zustand-Beseitigungsprozess bezüglich sowohl des Strömungstrennventils 63 und des Druckregler 67 den Bedarf zum Bestimmen, welches von dem Strömungstrennventil 63 und dem Druckregler 67 eingefroren ist. Dies erlaubt demzufolge die Bestimmung des eingefrorenen Zustands auf Basis des Spannungswerts und des Stromwerts.
Der zweite Antriebsimpuls wird auf die Pulsgeschwindigkeit eingestellt, welche kein Zurückgehen verursacht, selbst wenn der zweite Antriebsimpuls in das Ventil in den nicht eingefrorenen Zustand eingegeben wird. Dies versursacht durch die Abwesenheit des Positionserfassungsmechanismus des Schrittmotors keine Probleme.
Der erste Antriebsimpuls bildet den Öffnungsbefehlswerts aus, welcher der Fläche Sa oder der Fläche Sb (> 0) entspricht, welche die effektive Schnittfläche ist. Es wird erwartet, dass ein Verwenden des Moments in der Richtung der Zunahme der Öffnung den eingefrorenen Zustand einen solchen Grad beseitigt, welche die Leistung beibehält.
Der zweite Antriebsimpuls veranlasst eine Momentvariation bei einer hohen Frequenz, so dass eine Vibration bei der hohen Frequenz auf die eingefrorene Stelle aufgebracht wird. Es wird erwartet, dass dies den eingefrorenen Zustand beseitigt.
Der zweite Antriebsimpuls bildet den Öffnungsbefehlswert aus, welcher der Öffnung von null entspricht. Dies veranlasst das Ventilelement an den Ventilsitz anzustoßen und es wird daher erwartet, dass der eingefrorene Zustand beseitigt wird.
Der erste Antriebsimpuls bildet den Öffnungsbefehlswert aus, welcher der Fläche Sa oder der Fläche Sb entspricht, welche die effektive Schnittfläche ist, während ein Verdichten der Luft durch den Luftverdichter 62 während dem Eingefrorenen-Zustand-Beseitigungsprozess beibehalten wird. Das Kathodengas wird dementsprechend der Kathode zu dem Zeitpunkt zugeführt, wenn der eingefrorene Zustand beseitigt ist. Dies lässt die Leistungserzeugung zu und verdünnt auch Wasserstoff, welcher an der Kathode zu dem Zeitpunkt vorhanden ist, wenn der eingefrorene Zustand beseitigt wird.
Die Konfiguration der Ausführungsform stoppt den Eingefrorenen-Zustands-Beseitigungsprozess und stoppt eine Aktivierung des Brennstoffzellensystems 30, bevor der SOC der Sekundärbatterie 81 übermäßig abnimmt. Dies sichert die elektrische Leistung für einen nächsten Start des Brennstoffzellensystems 30.
Die Erfindung ist auf keine/s der Ausführungsformen, der Beispiele und der Modifikationen beschränkt, sondern kann durch eine Verschiedenheit anderer Konfigurationen implementiert werden ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können die technischen Merkmale jeder der Ausführungsformen, der Beispiele und der Modifikationen, welche den technischen Merkmalen jedes des in der KURZFASSUNG beschriebenen Aspekts entsprechen, ersetzt oder angemessen kombiniert werden, um einen Teil oder alle der oben beschriebenen Probleme zu lösen oder um einen Teil oder alle der oben beschriebenen vorteilhaften Effekte zu erreichen. Jedes der technischen Merkmale kann angemessen weggelassen werden, solange das technische Merkmal nicht als wesentlich hierin beschrieben ist. Einige Beispiele werden nachfolgend gegeben.
Ein Bestimmen, ob der eingefrorene Zustand des kathodenseitigen Ventils beseitigt ist, kann auf der Temperatur der Brennstoffzelle basieren. Beispielsweise kann bestimmt werden, dass der eingefrorene Zustand beseitigt wird und eine Leistungserzeugung begonnen hat, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle um einen vordefinierten Wert oder mehr gestiegen ist.
Der eingefrorene Zustand oder der nicht eingefrorene Zustand kann getrennt für das Strömungstrennventil und den Druckregler bestimmt werden. In diesem Fall können der erste Antriebsimpuls und der zweite Antriebsimpuls nur zu dem Ventil eingegeben werden, welches in dem eingefrorenen Zustand ist.
In dem Fall, in dem der eingefrorene Zustand oder der nicht eingefrorenen Zustand getrennt für das Strömungstrennventil und den Druckregler bestimmt werden, kann beispielsweise das Auftreten des eingefrorenen Zustand bestimmt werden, wenn der Schrittmotor Schritte überspringt. In einem anderen Beispiel können die Temperaturn des Strömungstrennventils und des Druckreglers gemessen werden und das Auftreten des eingefrorenen Zustand kann bestimmt werden, wenn die gemessenen Temperatur gleich oder kleiner einer vordefinierten Temperatur (beispielsweise 0°C) ist.
Das aus dem Schrittkommen bzw. Überspringen von Schritten des Schrittmotors kann beispielsweise durch Ausbilden des Strömungstrennventilmotors oder des Druckregelmotors mit einem Positionserfassungsmechanismus erfasst werden.
Der erste Antriebsimpuls, welcher in den Strömungstrennventilmotor eingegeben wird und der erste Antriebsimpuls, welcher in den Druckregelmotor eingegeben wird, können identische Pulsgeschwindigkeiten aufweisen.
Der zweite Antriebsimpuls, welcher in den Strömungstrennventilmotor eingegeben wird und der zweite Antriebsimpuls, welcher in den Druckregelmotor eingegeben wird, können identische Pulsgeschwindigkeiten aufweisen.
Der erste Antriebsimpuls kann dem Öffnungsbefehlswert der vollständig geöffneten Position entsprechend.
Der zweite Antriebsimpuls kann dem Öffnungsbefehlswert entsprechen, welcher größer als null ist.
Der Kompressor muss nicht notwendigerweise während dem Eingefrorenen-Zustands-Beseitigungsprozess angetrieben werden.
Ein Druckregler (nachfolgend als Alternativdruckregler bezeichnet) kann anstelle des Strömungstrennventils verwendet werden.
Bei einer Konfiguration, welche den Alternativdruckregler verwendet, kann die Umgehung mit der Stromaufwärtsseite des Alternativdruckreglers verbunden sein oder kann weggelassen sein.
Bei einer Konfiguration, welche die Umgehung weglässt, wird in dem Fall, in welchem der Alternativdruckregler eingefroren ist ein Sicherheitsventil, welches bei einem hohen Druck betrieben wird, in dem Luftkompressor oder in dem Kathodengaszufuhrströmungsweg ausgebildet sein.
Der Eingefrorene-Zustands-Beseitigungsprozess kann durchgeführt werden, bis der SOC der Sekundärbatterie einen unteren Grenzwert des effektiven Verwendungsbereichs erreicht.
Die Sekundärbatterie kann eine Nickelmetallhybridbatterie sein.
Das Brennstoffzellensystem muss nicht notwendigerweise an dem vierrädrigen Fahrzeug befestigt sein, sondern kann an jedem anderen geeigneten Transportmittel (beispielsweise einem zweirädrigen Fahrzeug oder einem Zug) befestigt sein. Das Brennstoffzellensystem kann stationär sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015-128908 [0001]
JP 2005-285686 A [0003]

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: einen Kompressor, welcher in einem Zufuhrströmungsweg platziert ist, welcher derart angeordnet ist, um ein Kathodengas einer Brennstoffzelle zuzuführen, ein erstes motorbetriebenes Ventil, welches zwischen der Brennstoffzelle und dem Kompressor in dem Zufuhrströmungsweg platziert ist; einen ersten Schrittmotor, welcher in dem ersten motorbetriebenen Ventil ausgebildet ist; ein zweites motorbetriebenes Ventil, welches in einem Auslassströmungsweg platziert ist, welcher derart angeordnet ist, um das Kathodengas von der Brennstoffzelle auszulassen; einen zweiten Schrittmotor, welcher in dem zweiten motorbetriebenen Ventil ausgebildet ist; und einen Kontroller, welcher derart konfiguriert ist, um eine Leistungserzeugung der Brennstoffzelle zu steuern und Antriebsimpulse in den ersten Schrittmotor und den zweiten Schrittmotor einzugeben, um so das erste motorbetriebene Ventil und das zweite motorbetriebene Ventil bei einem Start der Brennstoffzelle zu öffnen und das erste motorbetriebene Ventil und das zweite motorbetriebene Ventil bei einem Stoppen der Brennstoffzelle zu schließen, wobei der erste Schrittmotor durch die Eingabe der Antriebsimpulse betrieben wird, um ein Moment zu erzeugen, um das erste motorbetriebene Ventil zu öffnen zu schließen, und der zweite Schrittmotor durch die Eingabe der Antriebsimpulse betrieben wird, um ein Moment zu erzeugen, um das zweite motorbetriebene Ventil zu öffnen und zu schließen, wobei der Kontroller bestimmt, ob zumindest eines von dem ersten motorbetriebenen Ventil und dem zweiten motorbetriebenen Ventil in einem eingefrorenen Zustand bei dem Start der Brennstoffzelle ist, wenn bestimmt wird, dass weder das erste motorbetriebene Ventil noch das zweite motorbetriebene Ventil in dem eingefrorenem Zustand ist, der Kontroller die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle startet, und wenn bestimmt wird, dass zumindest eines von dem ersten motorbetriebenen Ventil und dem zweiten motorbetriebenen Ventil in dem eingefrorenen Zustand ist, der Kontroller einen vordefinierten Prozess durchführt, welcher für mehrere Male abwechselnd eine Eingabe eines ersten Antriebsimpulses, welches ein Moment in einer Richtung einer Zunahme einer Ventilöffnung erzeugt, und eines zweiten Antriebsimpulses, welches eine höhere Pulsgeschwindigkeit als eine Pulsgeschwindigkeit des ersten Antriebsimpulses aufweist und ein Moment in einer Richtung einer Abnahme der Ventilöffnung erzeugt, in einen Schrittmotor wiederholt, welcher in zumindest dem motorbetriebenen Ventil in dem eingefrorenen Zustand von dem ersten Schrittmotor und den zweiten Schrittmotor ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei, wenn bestimmt wird, dass zumindest einer des ersten motorbetriebenen Ventils und des zweiten motorbetriebenen Ventils in dem eingefrorenen Zustand ist, der Kontroller den vordefinierten Prozess mit Bezug auf sowohl den ersten Schrittmotor und den zweiten Schrittmotor durchführt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei der erste Antriebsimpuls ein Impuls ist, welcher eine größere Ventilöffnung als eine Ventilöffnung ausbildet, welche einer effektiven Schnittfläche von null zwischen einem Ventilsitz und einem Ventilelement in dem ersten motorbetriebenen Ventil oder in dem zweiten motorbetriebenen Ventil entspricht.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei der zweite Antriebsimpuls ein Impuls ist, welcher eine kleiner Ventilöffnung als eine Ventilöffnung ausbildet, welche einer effektiven Schnittfläche von null zwischen einem Ventilsitz und einem Ventilelement in dem ersten motorbetriebenen Ventil oder in dem zweiten motorbetriebenen Ventil entspricht.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Kontroller den Kompressor antreibt, um eine Konzentration von Wasserstoff in einem Gas auf oder unter einen vordefinierten Wert zu senken, welches von dem Auslassströmungsweg ausgelassen wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das erste motorbetriebene Ventil einen Mechanismus aufweist, welcher als ein Strömungstrennventil konfiguriert ist, wobei das Brennstoffzellensystem weiter aufweist: eine Umgehung, welche derart angeordnet ist, um das erste motorbetriebene Ventil mit dem Auslassströmungsweg zu verbinden, wobei der Auslassströmungsweg mit der Umgehung an einer Position stromabwärts von dem zweiten motorbetriebenen Ventil verbunden ist, wobei das Brennstoffzellensystem in einem Zustand gestoppt wird, in dem das erste motorbetriebene Ventil den Zufuhrströmungsweg mit der Umgehung verbindet.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter aufweisend: eine Sekundärbatterie, welche konfiguriert ist, um elektrische Leistung, welche durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, zu sammeln und die gesammelte elektrische Leistung dem Kontroller zuzuführen, um den vordefinierten Prozess durchzuführen, wobei der Kontroller den vordefinierten Prozess stoppt, wenn ein Ladezustand der Sekundärbatterie niedriger als ein Referenzwert wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Kontroller den Kompressor antreibt, einen Antriebsimpuls zum Öffnen des ersten motorbetriebenen Ventils in den ersten Schrittmotor eingibt, und einen Antriebsimpuls zum Öffnen des zweiten motorbetriebenen Ventils zu dem zweiten Schrittmotor bei dem Start der Brennstoffzelle eingibt, um auf Basis, ob die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle normal gestartet wird oder nicht, zu bestimmen, ob zumindest eines von dem ersten motorbetriebenen Ventil und dem zweiten motorbetriebenen Ventil in dem eingefrorenen Zustand ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der erste Antriebsimpuls, welcher in den ersten Schrittmotor eingegeben wird, und der erste Antriebsimpuls, welcher in den zweiten Schrittmotor eingegeben wird, unterschiedliche Pulsgeschwindigkeiten aufweisen, und der zweite Antriebsimpuls, welcher in den ersten Schrittmotor eingegeben wird, und der zweite Antriebsimpuls, welcher in den zweiten Schrittmotor eingegeben wird, unterschiedliche Pulsgeschwindigkeiten aufweisen.