DE102017129733A1

DE102017129733A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102017129733A1
Application number: DE102017129733.2A
Authority: DE
Inventors: Takahiko Hasegawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2037-12-14
Also published as: DE102017129733B4; JP6597979B2; US10586992B2; CN108336380A; US20180175419A1; CN108336380B; JP2018101572A

Abstract

Ein Kontroller (30) eines Brennstoffzellensystems (1) ist eingerichtet, einen Normalmodus durchzuführen, in dem eine Mehrzahl an Injektoren (INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N) in einem Fall angesteuert wird, in dem eine benötigte Leistung für den Brennstoffzellenstapel (10) niedriger als ein vorgegebener Wert ist, und einen Hochlastmodus durchzuführen, bei dem einer oder mehrere Injektoren (INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N) angesteuert werden, wenn die benötigte Leistung höher oder gleich dem vorgegeben Wert ist. Der Kontroller (30) ist eingerichtet, einen Ansteuerungsbefehl an jeden Injektor (INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N) unter einer Voraussetzung auszugeben, dass der Normalmodus auszuführen ist und einen Schließdefekt in einem durch den Ansteuerungsbefehl angesteuerten Injektor zu erkennen, wenn ein von dem Druckmesser (40) gemessener Druck nach einem Zeitpunkt, an dem der Ansteuerungsbefehl ausgegeben wurde, niedriger ist als eine vorgegebene Schwelle.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem.
Beschreibung des Stands der Technik
In der japanischen ungeprüften Offenlegungsschrift Nr. 2014-107062 ( JP 2014 - 107062 A ) wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, das aufeinanderfolgend Öffnungsausfälle eines ersten Injektors und eines zweiten Injektors erkennt, mit denen einem Brennstoffzellenstapel Wasserstoff (Brenngas) zugeführt wird.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei dieser Art Brennstoffzellensysteme wird angenommen, dass einer der Mehrzahl an Injektoren bei geringer Last verwendet wird und alle Injektoren bei hoher Last verwendet werden.
Wenn bei hoher Last, bei dem alle Injektoren verwendet werden, in einem Fall, in dem eine Defekterkennung bei denjenigen Injektoren durchgeführt wird, die bei geringer Last nicht angesteuert werden, einer der Injektoren, welche bei geringer Last nicht angesteuert werden, einen Schließdefekt hat, ist die Zufuhr eines Brennstoffs an einen Brennstoffzellenstapel ungenügend, da die Kraftstoffverbrauchsgeschwindigkeit bei hoher Last relativ schnell ist. Es besteht mithin eine Möglichkeit, dass der Brennstoffzellenstapel nachlässt.
Die Erfindung sieht ein Brennstoffzellensystem vor, das geeignet ist, das Auftreten von unzureichender Brennstoffzufuhr in einem Brennstoffzellenstapel zum Zeitpunkt der Defekterkennung zu verhindern und die Verschlechterung einer Brennstoffzelle zu verhindern.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das Folgendes aufweist: einen Brennstoffzellenstapel; eine Mehrzahl an Injektoren, die eingerichtet sind, dem Brennstoffzellenstapel ein Brenngas zuzuführen; einen Druckmesser, der eingerichtet ist, einen Druck in einem Brennstoff-Zuflussströmungsweg zu messen, an dem die Injektoren vorgesehen sind; und einen Kontroller, der eingerichtet ist, Betätigungen der Injektoren zu steuern. Der Kontroller ist eingerichtet, einen Schließdefekt der Injektoren mithilfe von Ansteuerungsbefehlen für die Injektoren und dem von dem Druckmesser gemessenen Druck zu erkennen. Der Kontroller ist eingerichtet, einen Normalmodus durchzuführen, in dem einer der Injektoren in einem Fall angesteuert wird, in dem eine benötigte Leistung für den Brennstoffzellenstapel niedriger ist als ein vorgegebener Wert, und einen Hochlastmodus durchzuführen, in dem ein oder mehrere Injektoren angesteuert werden, wenn die benötigte Leistung größer oder gleich dem vorgegebenen Wert ist. Der Kontroller ist eingerichtet, einen Ansteuerungsbefehl an jeden Injektor unter einer Voraussetzung, dass der Normalmodus ausgeführt werden soll, auszugeben und einen Schließdefekt in einem durch den Ansteuerungsbefehl angesteuerten Injektor zu erkennen, wenn der von dem Druckmesser gemessene Druck nach einem Zeitpunkt, an dem der Ansteuerungsbefehl ausgegeben wird, niedriger ist als eine vorgegebene Schwelle.
Gemäß dem Aspekt kann bei einer niedrigen Last, bei der die Verbrauchsgeschwindigkeit des Brenngases relativ langsam ist, ein Schließdefekt in allen Injektoren erkannt werden. Daher kann das Auftreten von unzureichender Brennstoffzufuhr am Brennstoffzellenstapel zum Zeitpunkt der Defekterkennung verhindert werden und daher kann die Verschlechterung einer Brennstoffzelle verhindert werden.
In dem Brennstoffzellensystem gemäß dem Aspekt kann der Kontroller eingerichtet sein, den Schließdefekt zu erkennen, nachdem er einen Brennstoffzufuhrdruck für den Brennstoffzellenstapel auf einen Wert eingestellt hat, der höher oder gleich einem vorgegeben Wert ist, unter der Bedingung, dass der Normalmodus ausgeführt werden soll.
Gemäß dem Aspekt kann ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden, das geeignet ist, das Auftreten von unzureichender Brennstoffzufuhr an einen Brennstoffzellenstapel zum Zeitpunkt der Defekterkennung zu verhindern und die Verschlechterung der Brennstoffzelle zu verhindern.
Figurenliste
Merkmale, Vorteile sowie technische und industrielle Bedeutung der beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und wobei:

1 ein Blockdiagramm ist, das eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform zeigt; und
2 ein Flussdiagramm einer Schließdefekterkennungssteuerung ist, die von dem Brennstoffzellensystem durchgeführt wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen sind Elemente, die mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, gleich oder haben dieselbe Konfiguration.
Zuerst wird gemäß 1 eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß einer Ausführungsform beschrieben. Das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der Ausführungsform umfasst einen Brennstoffzellenstapel 10, dem Reaktionsgase zugeführt werden (ein oxidierendes Gas und ein Brenngas) und das Strom erzeugt, und umfasst außerdem ein Leitungssystem für oxidierendes Gas, das dem Brennstoffzellenstapel 10 Luft als oxidierendes Gas zuführt, ein Wasserstoffgasleitungssystem 20, das dem Brennstoffzellenstapel 10 Wasserstoffgas als Brenngas zuführt, einen Kontroller (in der Ausführungsform als Kontroller bezeichnet) 30, der eine integrierte Steuerung des gesamten Systems durchführt, und dergleichen. Elemente in 1 unter anderem der Brennstoffzellenstapel 10, das Wasserstoffgasleitungssystem 20, der Kontroller 30 (Kontroller oder Bediener).
Der Brennstoffzellenstapel 10 hat eine Stapelstruktur, die durch das Stapeln einer benötigten Anzahl einzelner Zellen gebildet wird, die mit den Reaktionsgasen versorgt werden und Strom erzeugen.
Das Wasserstoffgasleitungssystem 20 umfasst einen Wasserstoffbehälter 21 als Brennstofflieferquelle, der Druckwasserstoffgas speichert, einen Wasserstoff-Zuflussströmungsweg 22 (Brennstoff-Zuflussströmungsweg), der verwendet wird, um das Wasserstoffgas in dem Wasserstoffbehälter 21 an den Brennstoffzellenstapel 10 zu liefern, und einen Strömungskreislauf 23, der verwendet wird, um Wasserstoffabgas, das aus dem Brennstoffzellenstapel 10 abgegeben wird, in den Wasserstoff-Zuflussströmungsweg 22 zurückzuführen.
An dem Wasserstoff-Zuflussströmungsweg 22, von der Stromaufwärtsseite (der Seite des Wasserstoffbehälters 21) in Richtung Stromabwärtsseite (der Seite des Brennstoffzellenstapels 10) sind ein Hauptabsperrventil 24, das die Lieferung von Wasserstoffgas aus dem Wasserstoffbehälter 21 erlaubt oder blockiert, ein Mediendruckminderungsventil 25, das den Druck des Wasserstoffgases anpasst, und eine Mehrzahl von parallel angeordneten Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N vorgesehen. Ein Druckmesser (in der Ausführungsform ein Drucksensor) 40, der den Druck des Wasserstoffgases in dem Wasserstoff-Zuflussströmungsweg 22 misst, ist stromabwärtsseitig der Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N und stromaufwärtsseitig an der Verbindungsstelle des Wasserstoff-Zuflussströmungsweg 22 und dem Strömungskreislauf 23 vorgesehen.
Das Mediendruckminderungsventil 25 ist eine Vorrichtung, die den stromaufwärtsseitigen Druck (Primärdruck) des Mediendruckminderungsventils 25 auf einen Sekundärdruck, der im Vorfeld eingestellt wurde, abstimmt. Das Mediendruckminderungsventil 25 ist, zum Beispiel, ein mechanisches Druckminderungsventil (Druckregelventil, Regler), das den Primärdruck reduziert.
Die Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N liefern das Wasserstoffgas an den Brennstoffzellenstapel 10. Die Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N sind elektromagnetisch angesteuerte Ein-Aus-Ventile, die geeignet sind, Gaszustände wie zum Beispiel die Strömungsrate des Gases und den Gasdruck anzupassen, indem in einem vorgegebenen Ansteuerungszyklus ein Ventilkörper direkt mit einer elektromagnetischen Antriebskraft angesteuert wird, um ihn von einem Ventilsitz zu trennen. Eine Gaseinspritzzeit und ein Gaseinspritzzeitpunkt der einzelnen Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N werden von Steuersignalen gesteuert, die von dem Kontroller 30 ausgegeben werden, sodass die Strömungsrate und der Wasserstoffgasdruck mit hoher Genauigkeit gesteuert werden.
Die Strömungsrate des Gases wird angepasst, indem der Ventilkörper der Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N geöffnet oder geschlossen wird und der Gasdruck, der der Stromabwärtsseite der Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N zugeführt wird, ist geringer als der Gasdruck, der der Stromaufwärtsseite der Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N zugeführt wird. Daher können die Injektoren INJ_1, INJ_2, ... INJ_N als Druckregelventil (Druckminderungsventil oder Regler) angesehen werden.
Ein Austragsdurchflussweg 28 ist mit dem Strömungskreislauf 23 über einen Dampf-Flüssigkeits-Abscheider 26 und ein Abgas- und Abflussventil 27 verbunden. Der Dampf-Flüssigkeits-Abscheider 26 gewinnt Feuchtigkeit aus dem Wasserstoffabgas zurück. Das Abgas- und Abflussventil 27 wird über einen Befehl von dem Kontroller 30 betätigt, um die Feuchtigkeit, die von dem Dampf-Flüssigkeits-Abscheider 26 gesammelt wurde, und das Wasserstoffabgas, das Verunreinigungen in dem Strömungskreislauf 23 enthält, nach Draußen abzuführen.
Zudem ist der Strömungskreislauf 23 auch mit einer Wasserstoffpumpe 29 versehen, die das Wasserstoffabgas in dem Strömungskreislauf 23 verdichtet und das Wasserstoffabgas zu der Seite des Wasserstoff-Zuflussströmungswegs 22 sendet.
Der Kontroller 30 steuert Betätigungen des Brennstoffzellensystems 1. In einem Fall, in dem das Brennstoffzellensystem 1 in einem Kraftfahrzeug eingebaut ist, misst der Kontroller 30 einen Betätigungsbetrag einer Beschleunigungsbetätigungsvorrichtung (Gaspedal oder dergleichen), welche in dem Kraftfahrzeug vorgesehen ist, erhält Steuerinformationen wie einen Beschleunigungsbedarfswert (zum Beispiel die Menge erzeugter Leistung, die für eine Verbrauchervorrichtung wie einen Antriebsmotor benötigt wird) und steuert Betätigungen verschiedener Vorrichtungen in dem System.
Zudem ist die Verbrauchervorrichtung der Sammelbegriff für, zusätzlich zu dem Antriebsmotor, Nebenverbraucher (zum Beispiel Motoren eines Kompressors, die Wasserstoffpumpe 29, eine Kühlpumpe und dergleichen), die benötigt werden, um den Brennstoffzellenstapel 10 zu betrieben, Stellglieder (ein Getriebe, eine Radsteuervorrichtung, eine Lenkvorrichtung, eine Federungsvorrichtung und dergleichen), die in verschiedenen, bei der Fahrt des Kraftfahrzeugs involvierten Vorrichtungen verwendet werden, und Stromverbrauchsvorrichtungen einschließlich einer Klimatisierungsvorrichtung (Klimaanlage) für einen Passagierraum, ein Lichtsystem, ein Audiosystem und dergleichen.
Insbesondere in der Ausführungsform hat der Kontroller 30 eine Funktion eines Kontrollers, der die Betätigungen der Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N steuert, die parallel an dem Wasserstoff-Zuflussströmungsweg 22 angeordnet sind. Insbesondere kann der Kontroller 30 eine „Injektoransteuerung“ durchführen, um die Anzahl an Injektoren zu verändern, die aus der Gruppe der Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N gemäß dem Lastniveau, das für eine Leistung für den Brennstoffzellenstapel 10 benötigt wird, angesteuert werden sollen. Zudem hat der Kontroller 30 eine Funktion eines Bedieners, der eine „Schließdefekterkennungssteuerung“ durchführt, um einen Schließdefekt in jedem Injektor zu erkennen, indem die Anwesenheit oder Abwesenheit eines auftretenden Schließdefekts in jedem der Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N bestimmt wird. Hier bezieht sich die Formulierung „Schließdefekt“ auf eine Unregelmäßigkeit, bei der der Injektor nicht von einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand überführt werden kann, zum Beispiel weil der Ventilkörper des Injektors an dem Ventilsitz festsitzt ist oder dergleichen.
Der Kontroller 30 ist gegenständlich eine elektronische Schaltung, die hauptsächlich einen bekannten Mikrocomputer mit einer Zentraleinheit (CPU), Random-Access-Memory (RAM), Festwertspeicher (ROM) sowie eine Schnittstelle hat. Jede der oben beschriebenen Funktionen des Kontrollers 30 wird realisiert, indem ein Anwendungsprogramm, das in dem ROM gespeichert ist, geladen wird und das Anwendungsprogramm von der CPU ausgeführt wird, um verschiedene Vorrichtungen des Fahrzeugs, die von der CPU gesteuert werden, zu betreiben, und Daten von dem RAM oder ROM zu lesen und auf denselben zu schreiben. In einem Fall, in dem das Brennstoffzellensystem 1 in dem Kraftfahrzeug eingebaut ist, kann der Kontroller 30 auch als Teil einer ECU eingebaut sein, die verschiedene Steuerungen des Fahrzeugs durchführt.
Als nächstes wird die Betätigungen des Brennstoffzellensystems 1 gemäß der Ausführungsform unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Zuerst werden die Zusammenfassung der Injektoransteuerung und die Schließdefekterkennungssteuerung, die oben beschrieben wurde, beschrieben.
In dem Brennstoffzellensystem 1 der Ausführungsform wird die Injektoransteuerung zur Änderung der Anzahl an Injektoren, die lastabhängig angesteuert werden sollen, durchgeführt, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, indem die elektrische Leistung der Injektoransteuerung bei geringer Last reduziert wird. Während der Injektoransteuerung führt der Kontroller 30 grundsätzlich eine Steuerung der Brennstoffmenge durch, die dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird, indem einer der Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N bei geringer Last angesteuert wird (zum Beispiel während normaler Fahrt auf ebener Straße oder dergleichen), wo die benötigte Leistung für den Brennstoffzellenstapel 10 niedriger ist als ein vorgegebener Wert (nachfolgend als „Normalmodus“ bezeichnet). Bei hoher Last (zum Beispiel während einer hochlastigen Bergauffahrt oder dergleichen), wo die benötigte Leistung für den Brennstoffzellenstapel 10 größer oder gleich einem vorgegebenen Wert ist, führt der Kontroller 30 zudem die Steuerung der dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführten Brennstoffmenge durch, indem zwei oder mehr der Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N (zum Beispiel alle Injektoren) angesteuert werden (nachfolgend als „Hochlastmodus“ bezeichnet). In einer Konfiguration, bei der die Anzahl der Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N drei oder mehr beträgt, kann der Modus mit hoher Last in mehrere Modi unterteilt werden, wie zum Beispiel einen Modus, in dem zwei Injektoren verwendet werden und einen Modus, in dem drei Injektoren verwendet werden.
Man kann, anders ausgedrückt, sagen, dass der Kontroller 30 während der Injektoransteuerung bei sinkender Last der benötigten Leistung für den Brennstoffzellenstapel 10 die Anzahl anzusteuernder Injektoren verringert, und bei steigender Last die Anzahl anzusteuernder Injektoren erhöht. Zum Beispiel in einem Fall, in dem die benötigte Leistung in einem geringen Lastbereich liegt, wird der in 1 dargestellte Injektor INJ_1 allein betätigt. In einem Fall, in dem die benötigte Leistung in einem mittleren Lastbereich liegt, wird ebenfalls der Injektor INJ_2 zusätzlich zu dem Injektor INJ_1 betätigt. In einem Fall, in dem die benötigte Leistung in einem hohen Lastbereich ist, kann auch der Injektor INJ_N zusätzlich zu dem Injektor INJ_1 und dem Injektor INJ_2 betätigt werden.
Um hier eine Kostensenkung und Varianten des Brennstoffzellensystems 1 zu realisieren, kann jeweils ein existierender CNG-Injektor oder dergleichen als Injektor INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N verwendet werden. Das heißt, die Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N können den gleichen Grad an Einspritzleistung aufweisen.
Während der Injektoransteuerung in, zum Beispiel, dem Brennstoffzellenstapel 10 bei normalem Betrieb, erfolgt eine Oxidationsreaktion der Gleichung an der Anode und eine Reduktionsreaktion der Gleichung an der Kathode. ${AN:2H}_{2} \to 4 H^{+} + 4 e^{-}$
${KA:O}_{2} + 4 H + 4 e^{-} \to 2 H_{2} O$
Während der Injektoransteuerung kann es in einem Fall, in dem es einen ausschließlich bei hoher Last angesteuerten Injektor gibt (zum Beispiel Injektor INJ_N in 1), der defekt ist, weil er in einem geschlossenen Zustand festsitzt oder dergleichen, bei Hochlastdurchlauf (einer relativ schnellen Wasserstoffverbrauchsgeschwindigkeit) zu unzureichender Wasserstoffzufuhr kommen und dies kann zu einer Verschlechterung der Leistung der Brennstoffzellen führen. Zum Zeitpunkt des vollständigen Wasserstoffdefizits wird in dem Brennstoffzellenstapel 10 Katalysator-tragender Kohlenstoff oxidiert und, wie in der Gleichung der Anode gezeigt, dessen Menge reduziert und daher baut der Katalysator ab, was zu der Leistungsverschlechterung führt. Eine Reduktionsreaktion der Gleichung erfolgt an der Kathode. $AN:C + 2 H_{2} O \to {CO}_{2} + 4 H^{+} + 4 e^{-}$
${KA:O}_{2} + 4 H + 4 e^{-} \to {2H}_{2} O$
In der Ausführungsform ist das Brennstoffzellensystem 1 so eingerichtet, dass keine Leistungsverschlechterung der Brennstoffzelle aufgrund von unzureichender Wasserstofflieferung vorkommt und die Erkennung von Schließdefekten bei den parallel angeordneten Injektoren während einer Betätigung durchgeführt werden kann. Insbesondere führt der Kontroller 30 die Schließdefekterkennungssteuerung ausschließlich bei geringer Last durch, wo die Wasserstoffverbrauchsgeschwindigkeit relativ langsam ist (das heißt, unter der Voraussetzung, dass der oben beschriebene Normalmodus der Injektoransteuerung durchgeführt werden kann). Zudem, um die unzulängliche Zufuhr von Wasserstoff aufgrund eines Problems bei der Betätigung des Injektors, bei dem der Schließdefekt bei der Durchführung der Schließdefekterkennungssteuerung erkannt wird, zu verhindern, wird ein Wasserstoffzufuhrdruck (Brennstoffzufuhrdruck) im Vorfeld auf einen vorgegebenen Wert erhöht (zum Beispiel einem oberen Grenzdruck, der von dem Kontroller 30 angeordnet werden kann). Zudem kann unter der oben beschriebenen Bedingung eine Defekterkennung bei allen Injektoren durchgeführt werden, indem die Injektoren wechselweise in regelmäßigen Zeitintervallen betätigt werden. Zudem wird die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Schließdefekts erkannt, indem eine Zunahme des Drucks auf der Stromabwärtsseite überwacht wird, während die individuellen Injektoren angesteuert werden.
Ein spezifischer Prozess der Schließdefekterkennungssteuerung wird unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Der im Flussdiagramm in 2 gezeigte Prozess wird von dem Kontroller 30 beispielweise in jedem vorgegebenen Zyklus durchgeführt.
In Schritt S1 bestimmt der Kontroller 30, ob der Stapel-Sweep-Strom des Brennstoffzellenstapels 10 niedriger ist als ein vorgegebener, erfassbarer Schwellwert einer Injektorunregelmäßigkeit. Der erfassbare Schwellwert einer Injektorunregelmäßigkeit kann bestimmt werden, indem, zum Beispiel, Besonderheiten der Strömungsrate aufgrund der Primär-/Sekundärdruckdifferenz des Injektors, der Bestromung, dem Schnittpunkt des Drucksensors 40 und des erzeugten Stromwerts des Brennstoffzellenstapels 10 in Betracht gezogen werden.
Als Folge der Bestimmung in Schritt S1, in einem Fall, in dem der Stapel-Sweep-Strom niedriger ist als der erfassbare Schwellwert einer Injektorunregelmäßigkeit (Ja in Schritt S1), bestimmt der Kontroller 30, dass das Brennstoffzellensystem 1 sich in einem Niedriglastbetrieb befindet, in dem die benötigte Leistung für den Brennstoffzellenstapel 10 geringer ist als der vorgegebene Wert und unter der Voraussetzung, dass der Normalmodus der Injektoransteuerung durchgeführt wird, und es wird die unten beschriebene Schließdefekterkennungssteuerung der Schritte S2 bis S6 durchgeführt.
In Schritt S2 wird ein stromabwärtsseitiger Sollwasserstoffdruck des Injektors zu einem oberen Grenzdruck geändert, der angeordnet werden kann. Der Wasserstoffsolldruck des Injektors ist, zum Beispiel, ein Sollwert des Wasserstoffgasdrucks an der Stromabwärtsseite der Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N in dem Wasserstoff-Zuflussströmungsweg 22, der von dem Drucksensor 40 gemessen werden kann. Wenn der Prozess von Schritt S2 abgeschlossen ist, schreitet der Prozess fort zu Schritt S3.
In Schritt S3 wird der anzusteuernde Injektor auf einen vorgegebenen Injektor INJ_* (* = 1 bis N) der Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N fest eingestellt. Der Zustand wird über eine vorgegebene Zeit gehalten und der Druck auf der Stromabwärtsseite des Injektors INJ_* wird bezogen. Nach Ablauf der vorgegebenen Zeit wird zu einem anderen Injektor INJ_*+1 als anzusteuernder Injektor gewechselt, wobei ein Symbolsubskript um 1 erhöht wird, und der Druck stromabwärtsseitig davon für die vorgegebene Zeit ähnlich bemessen wird. Ein Ändern des Injektors wird durchgeführt, bis * = N erfüllt ist und alle Injektoren ausgewählt sind. Wenn der Prozess von Schritt S3 abgeschlossen ist, schreitet der Prozess fort zu Schritt S4.
In Schritt S4 bestimmt der Kontroller 30, ob ein Wertanstieg des stromabwärtsseitigen Drucks jedes Injektors INJ_* (* = 1 bis N) der Injektoren während der Ansteuerung des Injektors INJ_* höher ist als ein vorgegebener Schwellwert zur Betätigungsbestimmung des Injektors oder nicht.
In einem Fall, in dem der Wertanstieg des stromabwärtsseitigen Drucks des Injektors INJ_* während des Antriebs des Injektors INJ_* höher ist als der vorgegebener Schwellwert zur Betätigungsbestimmung des Injektors (Ja in Schritt S4), bestimmt der Kontroller 30 in Schritt S5 als Folge der Bestimmung in Schritt S4, dass der Injektor INJ_* normal betätigt wird.
In einem Fall dagegen, in dem der Wertanstieg des stromabwärtsseitigen Drucks des Injektors INJ_* während des Antriebs des Injektors INJ_* kleiner oder gleich dem vorgegebenen Schwellwert zur Betätigungsbestimmung des Injektors ist (Nein in Schritt S4), bestimmt der Kontroller 30 in Schritt S6 als Folge der Bestimmung in Schritt S4, dass der Injektor INJ_* einen Schließdefekt aufweist. Sobald die Bestimmung der Schritte S4 bis S6 bei allen Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N durchgeführt wurde, endet der Steuerungsverlauf.
Als Folge der Bestimmung in Schritt S1 bestimmt der Kontroller 30 in einem Fall, in dem der Stapel-Sweep-Strom höher oder gleich dem erfassbaren Schwellwert einer Injektorunregelmäßigkeit ist (Nein in Schritt S1), dass das Brennstoffzellensystem 1 sich in einem Hochlastbetrieb befindet, in dem die benötigte Leistung für den Brennstoffzellenstapel 10 höher ist als der vorgegebene Wert und bestimmt, unter der Voraussetzung, dass der Hochlastmodus der Injektoransteuerung durchgeführt wird, dass die Schließdefektserfassung des Injektors in Schritt S7 nicht durchgeführt werden kann und beendet die Steuerströmung, ohne die Schließdefekterkennungssteuerung auszuführen.
Als nächstes werden die Effekte des Brennstoffzellensystem 1 gemäß der Ausführungsform beschrieben. Das Brennstoffzellensystem 1 der Ausführungsform umfasst den Brennstoffzellenstapel 10, die Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N, die dem Brennstoffzellenstapel 10 das Brenngas zuführen, den Drucksensor 40, der den Druck in dem Wasserstoff-Zuflussströmungsweg 22 misst, der mit den Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N versehen ist, und den Kontroller 30, der die Funktionen des Kontrollers und des Bedieners hat. Die Funktion des Kontrollers ist eine Funktion, die die Betätigungen der Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N steuert. Die Funktion des Bedieners ist eine Funktion, den Schließdefekt bei den Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N mithilfe eines Ansteuerungsbefehls für die Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N und dem von dem Drucksensor 40 gemessenen Druck zu erkennen. Als Kontroller ist der Kontroller 30 eingerichtet, den Normalmodus durchzuführen, in dem einer der INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N, in dem Fall angesteuert wird, in dem die benötigte Leistung für den Brennstoffzellenstapel 10 geringer ist als der vorgegebene Wert und den Hochlastmodus durchzuführen, in dem zwei oder mehr der Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N in einem Fall angesteuert werden, in dem die benötigte Leistung größer oder gleich dem vorgegebenen Wert ist. Zudem gibt der Kontroller 30 als Bediener einen Ansteuerungsbefehl an jeden Injektor INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N aus, unter der Voraussetzung, dass der Normalmodus ausgeführt werden kann, und erkennt einen Schließdefekt in einem der Injektoren, die durch den Ansteuerungsbefehl angesteuert werden, in dem Fall, in dem der von dem Druckmesser 40 gemessene Druck nach dem Zeitpunkt, an dem der Ansteuerungsbefehl ausgegeben wird, niedriger ist als eine vorgegebene Schwelle.
Bei der oben beschriebenen Konfiguration kann bei einer niedriger Last, bei der die Verbrauchsgeschwindigkeit des Wasserstoffs als Brenngas relativ langsam ist, ein Schließdefekt in allen Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N erkannt werden. Daher kann das Brennstoffzellensystem 1 der Ausführungsform das Auftreten von unzureichender Wasserstoffzufuhr an den Brennstoffzellenstapel 10 zum Zeitpunkt der Defekterkennung, an dem die Schließdefekterkennungssteuerung durchgeführt wird, verhindern und kann so die Verschlechterung in der Brennstoffzelle verhindern.
Zudem führt der Kontroller 30 als Bediener in dem Brennstoffzellensystem 1 der Ausführungsform eine Schließdefekterkennung durch, nachdem er den Wasserstoffzufuhrdruck für den Brennstoffzellenstapel 10 auf einen Wert eingestellt hat, der größer oder gleich dem vorgegebenen Wert ist (zum Beispiel den oberen Grenzdruck), unter der Voraussetzung, dass der Normalmodus durchgeführt werden kann.
Bei der oben beschriebenen Konfiguration kann ein Schließdefekt in einem Zustand erkannt werden, in dem dem Brennstoffzellenstapel 10 ausreichend Wasserstoff als Brenngas zugeführt wird. Daher kann das Brennstoffzellensystem 1 der Ausführungsform zuverlässiger das Auftreten von unzureichender Wasserstoffzufuhr zum Zeitpunkt der Defekterkennung verhindern und kann die Verschlechterung in der Brennstoffzelle verhindern.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sollen das Verständnis der Erfindung erleichtern und sollen nicht die Erfindung in eingeschränkter Art und Weise auslegen. Jedes der Elemente sowie Einrichtung, Materialien, Beschaffenheit, Formen, Größen und dergleichen von jedem Element sind nicht auf die beispielhaft erläuterten beschränkt und können entsprechend geändert werden. Die in den verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Konfigurationen können teilweise ersetzt oder kombiniert werden.
In der Ausführungsform wird die Konfiguration beispielhaft beschrieben, bei der der Drucksensor 40 stromabwärtsseitig von den Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N im Wasserstoff-Zuflussströmungsweg 22 angeordnet ist und ein Schließdefekt in dem Injektor durch eine Überwachung der Veränderung in dem Injektordruck an der Stromabwärtsseite erkannt wird, welcher von dem Druckmesser 40 während der Betätigung des Injektors gemessen wird. Allerdings kann als Wasserstoffgasdruck, der für die Schließdefekterkennungssteuerung verwendet wird, auch ein Druck an einer anderen Stelle des Wasserstoff-Zuflussströmungswegs 22 verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Konfiguration verwendet werden, bei der der Drucksensor 40 stromaufwärtsseitig der Injektoren INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N vorgesehen ist und ein Schließdefekt durch Überwachung von Schwankungen eines stromaufwärtsseitigen Injektordrucks erkannt wird, der von dem Druckmesser 40 während der Betätigung des Injektors gemessen wird.
Zudem wird in der Ausführungsform, wie in 1 dargestellt, die Konfiguration, in der der einzelne Kontroller 30 die Funktionen sowohl des Kontrollers als auch des Bedieners hat, veranschaulicht. Allerdings kann auch eine Konfiguration verwendet werden, bei der die Funktion des Kontrollers und die Funktion des Bedieners in verschiedenen Vorrichtungen eingebaut sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2014107062 [0002]
JP 2014 [0002]
JP 107062 A [0002]

Claims

Brennstoffzellensystem aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel (10); eine Mehrzahl an Injektoren (INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N), die eingerichtet sind, ein Brenngas an den Brennstoffzellenstapel (10) zu liefern; einen Druckmesser (40), der eingerichtet ist, einen Druck in einem Brennstoff-Zuflussströmungsweg zu messen, an dem die Injektoren (INJ_1, INJ_2, ... INJ_N) vorgesehen sind; und der Kontroller (30), der eingerichtet ist, die Betätigungen der Injektoren (INJ_1, INJ_2, ... INJ_N) zu steuern, wobei: der Kontroller (30) eingerichtet ist, einen Schließdefekt der Injektoren (INJ_1, INJ_2, ... INJ_N) mithilfe von Ansteuerungsbefehlen für die Injektoren (INJ_1, INJ_2, ... INJ_N) und dem von dem Druckmesser (40) gemessenen Druck zu erkennen; der Kontroller (30) eingerichtet ist, einen Normalmodus durchzuführen, in dem einer der Injektoren (INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N) in einem Fall angesteuert wird, in dem eine benötigte Leistung für den Brennstoffzellenstapel (10) niedriger ist als ein vorgegebener Wert, und einen Hochlastmodus durchzuführen, bei dem einer oder mehrere Injektoren (INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N) in einem Fall angesteuert werden, in dem die benötigte Leistung höher oder gleich dem vorgegeben Wert ist; und der Kontroller (30) eingerichtet ist, einen Ansteuerungsbefehl an jeden Injektor (INJ_1, INJ_2, ..., INJ_N) unter einer Voraussetzung auszugeben, dass der Normalmodus auszuführen ist, und einen Schließdefekt in einem durch den Ansteuerungsbefehl angesteuerten Injektor zu erkennen, wenn der von dem Druckmesser (40) gemessene Druck nach einem Zeitpunkt, an dem der Ansteuerungsbefehl ausgegeben wurde, niedriger ist als eine vorgegebene Schwelle.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, wobei der Kontroller (30) eingerichtet ist, den Schließdefekt zu erkennen, nachdem ein Brennstoffzufuhrdruck für den Brennstoffzellenstapel (10) auf einen Wert eingestellt wurde, der höher oder gleich einem vorgegebenen Wert ist, unter der Bedingung, dass der Normalmodus ausgeführt werden soll.