DE102018100027A1

DE102018100027A1 - Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102018100027A1
Application number: DE102018100027.8A
Authority: DE
Inventors: Hiromu Saito
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-15
Filing date: 2018-01-02
Publication date: 2018-09-20
Also published as: CN108630967B; JP2018152313A; CN108630967A; JP6758607B2; US10720657B2; US20180269504A1

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem umfasst: ein Druckregelventil, das einen Druck eines Brenngases verringert; eine Brenngasversorgungsleitung mit einer ersten Leitung, die zwischen einer Brennstoffzelle und dem Druckregelventil verläuft, und einer zweiten Leitung, die von dem Druckregelventil über ein Sperrventil zu einer Brenngaszufuhrquelle verläuft; einen Drucksensor, der einen Druck des Brenngases in der ersten Leitung erfasst; und einen Controller, mit dem das Sperrventil und der Drucksensor verbunden sind. Wenn ein von dem Drucksensor erfasster Druckwert ein anormaler Wert ist, schließt der Controller das Sperrventil und führt einen Druckreduzierungsprozess für die erste Leitung aus. Danach bestimmt der Controller, dass das Druckregelventil ausgefallen ist, wenn der von dem Drucksensor erfasste Druckwert abgenommen hat, wohingegen der Controller bestimmt, dass der Drucksensor ausgefallen ist, wenn der von dem Drucksensor erfasste Druckwert nicht abgenommen hat.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 15. März 2017 eingereichten japanischen Patentanmeldung JP 2017-049591 , deren Offenbarungsgehalt hierin vollständig durch Bezugnahme aufgenommen ist.
HINTERGRUND
Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, bei dem ein Sperrventil, ein Druckregelventil und ein Drucksensor in einer Brenngasversorgungsleitung angeordnet sind, die sich von einer Brenngaszufuhrquelle zu einer Brennstoffzelle erstreckt.
Beschreibung des Standes der Technik
Die JP 2010-021 127 A offenbart ein Brennstoffzellensystem, in dem Hochdruckwasserstoff aus einem Wasserstofftank über ein Druckregelventil einer Druckreduzierung unterzogen und anschließend einer Brennstoffzelle zugeführt wird. Der Versorgungsdruck des der Brennstoffzelle zugeführten Wasserstoffs wird von einem nach dem Druckregelventil angeordneten Wasserstoff-Drucksensor erfasst. Der Wasserstoff-Drucksensor wird durch den Empfang einer Spannung von einem Konstantspannungsregler angesteuert. In einem solchen Brennstoffzellensystem wird die Leistung der Brennstoffzelle bei einem Ausfall des Konstantspannungsreglers gestoppt.
Die JP 2010-021 127 A berücksichtigt dabei jedoch nicht den Fall, dass ein vom Wasserstoff-Drucksensor erfasster Druckwert höher wird als ein voreingestellter sekundärseitiger Druck des Druckregelventils, so dass hier noch Verbesserungsbedarf besteht.
KURZFASSUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Brennstoffzellensystems, das geeignet ist, eine angemessene Ausfallsicherheit zu gewährleisten, wenn ein Drucksensor hinter einem Druckregelventil einen anormalen Druckwert erkennt, sowie ein Steuerverfahren für ein solches Brennstoffzellensystem anzugeben.
Eine Ausführungsform schafft ein Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle; ein Druckregelventil, das einen Druck eines Brenngases verringert; eine Brenngasversorgungsleitung mit einer ersten Leitung, die zwischen der Brennstoffzelle und dem Druckregelventil verläuft, und einer zweiten Leitung, die von dem Druckregelventil über ein Sperrventil zu einer Brenngaszufuhrquelle verläuft; einen ersten Drucksensor, der einen Druck des Brenngases in der ersten Leitung erfasst; und einen Controller, mit dem das Sperrventil und der Drucksensor verbunden sind. Wenn ein von dem ersten Drucksensor erfasster Druckwert ein anormaler Wert ist, schließt der Controller das Sperrventil und führt einen Druckreduzierungsprozess für die erste Leitung aus. Anschließend bestimmt der Controller, dass das Druckregelventil ausgefallen ist, wenn der von dem ersten Drucksensor erfasste Druckwert abgenommen hat, wohingegen der Controller bestimmt, dass der erste Drucksensor ausgefallen ist, wenn der von dem Drucksensor erfasste Druckwert nicht abgenommen hat.
Eine Ausführungsform schafft ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem umfasst: eine Brennstoffzelle; ein Druckregelventil, das einen Druck eines Brenngases verringert; eine Brenngasversorgungsleitung mit einer ersten Leitung, die zwischen der Brennstoffzelle und dem Druckregelventil verläuft, und einer zweiten Leitung, die von dem Druckregelventil über ein Sperrventil zu einer Brenngaszufuhrquelle verläuft; einen ersten Drucksensor, der einen Druck des Brenngases in der ersten Leitung erfasst; und einen Controller, mit dem das Sperrventil und der Drucksensor verbunden sind. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bestimmen, mittels des Controllers, ob ein erster Druckwert, der von dem ersten Drucksensor erfasst wird, ein anormaler Wert ist; Schließen des Sperrventils, mittels des Controllers, und Durchführen eines Druckreduzierungsprozesses für die erste Leitung; und Bestimmen, mittels des Controllers, dass das Druckregelventil ausgefallen ist, wenn ein zweiter von dem ersten Drucksensor erfasster Druckwert kleiner als der erste Druckwert ist, wohingegen mittels des Controllers bestimmt wird, dass der Drucksensor ausgefallen ist, wenn der zweite Druckwert nicht kleiner als der erste Druckwert ist.
Wenn gemäß diesen Ausführungsformen der erste Drucksensor, der stromab bzw. hinter dem Druckregelventil angeordnet ist, einen anormalen Druckwert erfasst, wird das Sperrventil geschlossen. Dadurch wird die Zufuhr des Brenngases von der Brenngaszufuhrquelle zur Brennstoffzelle unterbrochen. Nachdem das Sperrventil geschlossen und der Druckreduzierungsprozess für die erste Leitung durchgeführt wurde, wird der Druck des Brenngases in der ersten Leitung vom ersten Drucksensor erfasst. Da der Druckreduzierungsprozess für die erste Leitung durchgeführt wird, sollte der Druck des Brenngases in der ersten Leitung abgenommen haben. Wenn also der vom ersten Drucksensor erfasste Druckwert nicht abgenommen hat, wir bestimmt, dass der erste Drucksensor ausgefallen ist, wohingegen bestimmt wird, dass das Druckregelventil ausgefallen ist, wenn der vom ersten Drucksensor erfasste Druckwert abgenommen hat. Auf diese Weise wird, wenn die oben genannte Störung auftritt, festgestellt, welcher von dem ersten Drucksensor oder dem Druckregelventil ausgefallen ist, und es kann somit eine für ein ausgefallenes Teil geeignete Ausfallsicherheitssteuerung durchgeführt werden.
Der Druckreduzierungsprozess kein ein Prozess sein, um eine Leistungsausgabe der Brennstoffzelle auf ein niedrigeres Niveau als bei einem Normalzustand zu begrenzen.
Gemäß diesem Aspekt kann der Druckreduzierungsprozess für die erste Leitung mit Hilfe der von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Leistung durchgeführt werden.
Der Controller kann, wenn der Controller bestimmt, dass der erste Drucksensor ausgefallen ist, die Ausgabebegrenzung der Brennstoffzelle aufheben.
Alternativ kann der Controller, wenn der Controller bestimmt, dass der erste Drucksensor ausgefallen ist, die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle beibehalten.
Mit diesen Aspekten ist es möglich, einen sofortigen oder ungewollten Stopp der Stromerzeugung der Brennstoffzelle zu unterdrücken, wenn der oben genannte anormale Zustand bzw. Störfall eintritt.
Der Controller kann, wenn der Controller bestimmt, dass das Druckregelventil ausgefallen ist, die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle stoppen.
Das Brennstoffzellensystem kann weiter einen zweiten Drucksensor aufweisen, der einen Druck des Brenngases in der zweiten Leitung erfasst. Nach dem Schließen des Sperrventils bestimmt der Controller einen Ausgabegrenzwert der Brennstoffzelle basierend auf einem Druckwert, der von dem zweiten Drucksensor erfasst wurde, und begrenzt die Leistungsausgabe der Brennstoffzelle basierend auf dem bestimmten Ausgabegrenzwert.
Mit einem solchen Aspekt ist es möglich, die in der zweiten Leitung zwischen dem Sperrventil und dem Druckregelventil verbleibende Brenngasmenge auf Basis des vom zweiten Drucksensor erfassten Druckwertes zu ermitteln. Somit kann die Stromerzeugung der Brennstoffzelle mit einem Ausgabegrenzwert entsprechend der Menge des verbleibenden Brenngases aufrechterhalten werden.
Der Controller kann vom zweiten Drucksensor vor und nach der Begrenzung der Leistungsausgabe der Brennstoffzelle erfasste Druckwerte vergleichen, und nach einer Bestätigung der Druckabnahme in der zweiten Leitung basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs bestimmen, ob der von dem ersten Drucksensor erfasste Druckwert abgenommen hat oder nicht.
Wenn das Druckregelventil ein mechanisches Ventil ist, fließt das in der zweiten Leitung zwischen dem Sperrventil und dem Druckregelventil verbleibende Brenngas durch das Druckregelventil zur ersten Leitung und der Druck in der zweiten Leitung und der Druck in der ersten Leitung werden gleich. Bei dem oben genannten Aspekt kann, da eine Bestimmung, welcher von dem ersten Drucksensor oder dem Druckregelventil ausgefallen ist, erfolgt, nachdem ein derartiges Durchströmen des restlichen Brenngases beobachtet wurde, eine zuverlässigere Bestimmung erfolgen.
Eine andere Ausführungsform schafft ein Brennstoffzellensystem, das ferner einen zweiten Drucksensor aufweisen kann, der einen Druck des Brenngases in der zweiten Leitung erfasst, wobei der Controller nach dem Schließen des Sperrventils eine Druckabnahme in der zweiten Leitung unter Verwendung des zweiten Drucksensors überwacht, und nach einer Bestätigung der Druckabnahme in der zweiten Leitung basierend auf einem Ergebnis der Überwachung bestimmt, ob der von dem ersten Drucksensor erfasste Druckwert abgenommen hat oder nicht.
Der Controller kann bestimmen, dass der von dem ersten Drucksensor erfasste Druckwert ein anormaler Wert ist, wenn der erfasste Druckwert einen Schwellenwert überschreitet.
Mit einem solchen Aspekt kann leicht bestimmt werden, ob der vom ersten Drucksensor erfasste Druckwert ein anormaler Wert ist oder nicht.
In einigen Ausführungsformen kann das Brennstoffzellensystem weiter einen zwischen der Brennstoffzelle und dem Druckregelventil angeordneten Injektor aufweisen, wobei der Injektor in der Lage ist, einen Druck des Brenngases zu reduzieren. Die erste Leitung kann eine dritte Leitung aufweisen, die von der Brennstoffzelle zu dem Injektor verläuft, und eine vierte Leitung, die von dem Injektor zu dem Druckregelventil verläuft; und der erste Drucksensor kann einen Druck des Brenngases in der vierten Leitung erfassen.
In diesem Fall kann der Controller nach dem Schließen des Sperrventils und vor der Bestimmung, ob der von dem ersten Drucksensor erfasste Druckwert abgenommen hat oder nicht, den Injektor steuern, um das Brenngas in der vierten Leitung in die dritte Leitung zu führen.
Mit einem solchen Aspekt wird der Druck in der vierten Leitung verringert, nachdem das Sperrventil unter der Steuerung des Injektors geschlossen wurde. Danach wird der Druck des Brenngases in der vierten Leitung durch den ersten Drucksensor erfasst und eine Bestimmung, welcher von dem ersten Drucksensor und dem Druckregelventil ausgefallen ist, erfolgt basierend darauf, ob der Druckwert abgenommen hat oder nicht, wie vorstehend beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt ein Blockschaubild, das eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform zeigt; und
2 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Steuerverfahren für das Brennstoffzellensystem aus 1 zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst ein Brennstoffzellenfahrzeug 1 einen Antriebsmotor 2 und ein Brennstoffzellensystem 3. Der Antriebsmotor 2 kann beispielsweise ein Drei-Phasen-Wechselstrommotor sein, der als Antriebs- bzw. Leistungsquelle für das Brennstoffzellenfahrzeug 1 dient. Das Brennstoffzellensystem 3 kann eine Brennstoffzelle 20 umfassen, die elektrische Leistung anhand einer elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoffgas und Oxidationsgas erzeugt, ein Oxidationsgaszufuhrsystem 30, das Luft als Oxidationsgas einer Kathodenelektrode der Brennstoffzelle 20 zuführt, ein Brenngaszufuhrsystem 40, das Wasserstoff als Brenngas einer Anodenelektrode der Brennstoffzelle 20 zuführt, ein Leistungssystem 50, welches das Laden und Entladen elektrischer Leistung steuert, sowie einen Controller 60, der das gesamte System kollektiv steuert. Die Brennstoffzelle 20 kann eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle sein, die beispielsweise durch Stapeln einer Mehrzahl von Zellen in Reihe gebildet wird, wobei die Brennstoffzelle 20 als Fahrzeugstromquelle fungiert.
Das Oxidationsgaszufuhrsystem 30 hat eine Oxidationsgasleitung 31, durch welche Oxidationsgas, das der Brennstoffzelle 20 zugeführt werden soll, fließt, und eine Oxidationsabgasleitung 32, durch welche Oxidationsabgas, das aus der Brennstoffzelle 20 ausgetragen werden soll, fließt. Die Oxidationsgasleitung 31 hat einen Luftverdichter 34, der Oxidationsgas von der Umgebung über einen Filter 33 einbringt, einen Befeuchter 35, der das Oxidationsgas befeuchtet, und ein Drosselventil 36, das die Menge an zuzuführendem Oxidationsgas regelt. Die Oxidationsabgasleitung 32 hat ein Staudruckregelventil 37 zum Regeln eines Zufuhrdrucks des Oxidationsgases. Der Befeuchter 35 befeuchtet das Oxidationsgas durch einen Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem Oxidationsgas (trockenes Gas) und dem Oxidationsabgas (nasses Gas). Der Befeuchter 35 kann weggelassen werden.
Das Brenngaszufuhrsystem 40 hat eine Brenngaszufuhrquelle 41, eine Brenngasversorgungsleitung 42, durch die Brenngas, das von der Brenngaszufuhrquelle 41 zur Brennstoffzelle 20 zugeführt werden soll, fließt, und eine Zirkulationsleitung 43, um Brenngasabgas, das aus der Brennstoffzelle 20 ausgetragen wird, zur Brenngasversorgungsleitung 42 zurückzuführen. Die Brenngaszufuhrquelle 41 speichert Wasserstoff bei hohem Druck (z.B. 35MPa bis 70MPa). Die Brenngaszufuhrquelle 41 wird beispielsweise durch einen Wasserstofftank, eine wasserstoffabsorbierende Legierung oder dergleichen gebildet. Alternativ kann die Brenngaszufuhrquelle 41 einen Reformer umfassen, der wasserstoffreiches Reformgas bzw. reformiertes Gas aus einem kohlenwasserstoffbasierten Kraftstoff erzeugt, und einem Hochdruckgastank, der das reformierte Gas, das in dem Reformer erzeugt wurde, speichert, nachdem dieses in einen Hochdruckzustand gebracht wurde.
Die Brenngasversorgungsleitung 42 hat ein Sperrventil 44, ein Druckregelventil 45 und einen Injektor 46. Das Sperrventil 44 ermöglicht oder unterbricht die Versorgung der Brennstoffzelle 20 mit Brenngas von der Brenngaszufuhrquelle 41 durch die Brenngasversorgungsleitung 42. Das Sperrventil 44 fungiert als Hauptventil für die Brenngaszufuhrquelle 41. Das Druckregelventil 45 ist ein Druckreduzierventil, das einen Druck an der stromaufwärtigen Seite des Druckregelventils 45 (Primärdruck) auf einen voreingestellten Sekundärdruck verringert. Obgleich das Druckregelventil 45 eine mechanische, elektrische oder elektromagnetische Konfiguration haben kann, wird in der vorliegenden Ausführungsform ein mechanisches Ventil verwendet. Beispielsweise hat ein mechanisches Druckregelventil 45 einen bekannten Aufbau mit einem Gehäuse, in dem eine Staudruckkammer und eine Druckregelkammer ausgebildet sind, wobei die Kammern durch eine Membran unterteilt werden, und bei dem der Primärdruck in der Druckregelkammer unter Verwendung eines Staudrucks in der Staudruckkammer auf einen vorgegebenen Sekundärdruck verringert wird. Das Druckregelventil 45 hat einen Filter 47, der stromauf desselben angeordnet ist, sowie ein Druckbegrenzungs- bzw. Überdruckventil 48, das stromab desselben angeordnet ist. Das Überdruckventil 48 ist normalerweise geschlossen und wird mechanisch betätigt, wenn der Druck einer Leitung zwischen dem Druckeregelventil 45 und dem Injektor 46 ein vorgegebenes Niveau oder mehr erreicht, um das Brenngas aus der Brenngasversorgungsleitung 42 auszutragen.
Der Injektor 46 ist ein An-Aus-Ventil, das den Zufuhrdruck und die Zufuhrmenge des Brenngases, das der Brennstoffzelle 20 zugeführt werden soll, mit einem hohen Grad an Genauigkeit steuern kann. Der Injektor 46 kann beispielsweise ein elektromagnetisch angetriebener Injektor sein. Der Injektor 46 hat: einen Ventilsitz mit einer Einspritzöffnung zum Einspritzen des Brenngases; und einen Ventilkörper, der durch einen Solenoid bzw. Magneten angetrieben wird, um die Einspritzöffnung zu öffnen und zu schließen. Der Injektor 46 führt die vorstehend beschriebene Regelung durch das Ansteuern des Ventilkörpers derart, dass dieses sich vom Ventilsitz löst, in vorgegebenen Steuerintervallen unter Verwendung einer elektromagnetischen Antriebskraft durch. Mehr als ein derartiger Injektor 46 kann in der Brenngasversorgungsleitung 42 angeordnet sein, wobei bei dieser Ausführungsform drei Injektoren parallel zueinander angeordnet sind. Ein jeder Injektor 46 hat einen Filter an der stromaufwärtigen Seite und ein Überdruckventil 49 an der stromabwärtigen Seite. Das Überdruckventil 49 ist normalerweise geschlossen und wird mechanisch betätigt, wenn der Druck einer Leitung zwischen dem Injektor 46 und der Brennstoffzelle 20 ein vorgegebenes Niveau oder mehr erreicht, um das Brenngas aus der Brenngasversorgungsleitung 42 auszutragen.
Der Druck des Brenngases, das der Brennstoffzelle 20 von der Brenngaszufuhrquelle 41 zugeführt wird, wird durch das Druckregelventil 45 und den Injektor 46 reduziert. Beispielsweise wird der Druck des Brenngases, das aus der Brenngaszufuhrquelle 41 ausgegeben wird, der bei 35 MPa bis 70 MPa liegt, durch das Druckregelventil 45 auf etwa 1,5 MPa verringert, und wird durch den Injektor 46 weiter auf etwa 200kPa verringert. Hinsichtlich des Höhe des Drucks des Brenngases bei jedem Schritt dieser zweistufigen Druckverringerung kann die Brenngasversorgungsleitung 42 in die folgenden Leitungen unterteilt werden: eine Hochdruckleitung 42A, die von der Brenngaszufuhrquelle 41 über das Sperrventil 44 zum Druckregelventil 45 verläuft; eine Mitteldruckleitung 42B, die vom Druckregelventil 45 zum Injektor 46 verläuft; und eine Niederdruckleitung 42C, die vom Injektor 46 zur Brennstoffzelle 20 verläuft. Die Hochdruckleitung 42A, die Mitteldruckleitung 42B und die Niederdruckleitung 42C sind mit einem Hochdruck-Drucksensor P2, einem Mitteldruck-Drucksensor P1 und einem Niederdruck-Drucksensor P3 ausgestaltet, um den Druck den Brenngases in den jeweiligen Leitung zu erfassen. Das Sperrventil 44, der Injektor 46 und die Drucksensoren P1, P2 und P3 sind mit dem Controller 60 verbunden. Es sei angemerkt, dass der Druck, der vom Hochdruck-Drucksensor P2 erfasst wird, während das Sperrventil 44 geöffnet ist, den Druck des Brenngases in der Brenngaszufuhrquelle 41 darstellt.
Die Mitteldruckleitung 42B entspricht einer „ersten Leitung“ oder einer „vierten Leitung“ in den Ansprüchen, die später dargestellt sind. In gleicher Weise entspricht die Hochdruckleitung 42A einer „zweiten Leitung“, die Niederdruckleitung 42C entspricht einer „dritten Leitung“, der Mitteldruck-Drucksensor P1 entspricht einem „ersten Drucksensor“ und der Hochdruck-Drucksensor P2 entspricht einem „zweiten Drucksensor“.
Die Zirkulationsleitung 43 ist über einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider 71 und ein Auslass-/Entlüftungsventil 72 mit einer Auslass-/Entlüftungsleitung 73 verbunden. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 71 sammelt Wasser aus dem Brenngasabgas. Das Auslass-/Entlüftungsventil 72 wird durch eine Anweisung vom Controller 60 betätigt, um das Wasser, das vom Gas-Flüssigkeits-Abscheider 71 gesammelt wurde, und Brenngasabgas, das Verunreinigungen enthält, aus der Zirkulationsleitung 43 nach außen auszutragen (d.h. zu spülen). Die Zirkulationsleitung 43 hat eine Pumpe 75 zum Verdichten des Brenngasabgases in der Zirkulationsleitung 43 und zum anschließenden Zuführen des verdichteten Brenngasabgases zur Niederdruckleitung 42C. Der Niederdruck-Drucksensor P3 ist an der Injektorseite bezüglich eines Zusammenflusspunktes der Zirkulationsleitung 43 und der Niederdruckleitung 42C vorgesehen. Es sei angemerkt, dass das durch das Auslass-/Entlüftungsventil 72 und die Auslass-/Entlüftungsleitung 73 ausgetragene Brenngasabgas beispielsweise durch einen (nicht dargestellten) Verdünner verdünnt wird und sich dann mit dem Oxidationsgasabgas in der Oxidationsgasabgasleitung 32 vermischt.
Das Leistungssystem 50 umfasst einen Gleichstromwandler 51 (DC/DC-Wandler), eine Sekundärbatterie 52, einen Antriebsinverter bzw. -wechselrichter 53 sowie Hilfsaggregate 55. Der Gleichstromwandler 51 hat eine Funktion zum Erhöhen einer Gleichstromspannung, die von der Sekundärbatterie 52 zugeführt wird, und Ausgeben der resultierenden Spannung an der Antriebsinverter 53; sowie eine Funktion zum Senken der Spannung einer Gleichstromleistung, die durch die Brennstoffzelle 20 erzeugt wird, oder der Spannung einer regenerativen Leistung, die durch den Antriebsmotor 2 als Ergebnis eines regenerativen Bremsens gesammelt wird, um die Sekundärbatterie 52 mit der resultierenden Leistung zu laden. Das Laden und Entladen der Sekundärbatterie 52 wird mit Hilfe der Funktionen des Gleichstromwandlers 51 gesteuert. Zudem steuert die Spannungswandlungssteuerung durch den Gleichstromwandler 51 einen Betriebspunkt der Brennstoffzelle 20 (Ausgangspannung, Ausgangsstrom). Die Sekundärbatterie 52 fungiert: als Speicherquelle für überschüssige elektrische Leistung; als Speicherquelle für regernative Energie während des regenerativen Bremsens; oder als Energiepuffer für einen Lastwechsel, der aus dem Beschleunigen oder Verzögern des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 resultiert. Geeignete Beispiele für die Sekundärbatterie können eine Sekundärbatterie wie beispielsweise eine Nickel-Cadmium Batterie, eine Nickel-Wasserstoff-Batterie oder ein Lithium-Sekundärbatterie umfassen. Der Antriebsinverter 53 kann beispielsweise ein PWM-Inverter sein, der mittels Pulsweitenmodulation angesteuert wird, und der Antriebsinverter bzw. -wechselrichter 53 wandelt entsprechend einem Steuersignal vom Controller 60 eine Gleichstromspannung, die von der Brennstoffzelle 20 oder der Sekundärbatterie 52 ausgegeben wird, in eine Drei-Phasen-Wechselstromspannung um und steuert das Drehmoment des Antriebsmotors 2. Die Hilfsaggregate 55 sind ein Sammelbegriff für verschiedene Arten von Motoren, die in den jeweiligen Teilen des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 angeordnet sind (z.B. Antriebsquellen für die Pumpen), Inverter bzw. Wechselrichter zum Antreiben dieser Motoren, und verschiedene Arten von Fahrzeughilfsaggregaten (z.B. Luftverdichter, Injektor, Kühlwasserzirkulationspumpe, Radiator, etc.).
Der Controller 60 ist eine elektronische Steuereinheit mit einer CPU 61, einem Speicher 62 und einer Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 63, und der Controller 60 kann beispielsweise als Mikrocomputer ausgebildet sein. Die CPU 61 führt einen gewünschten Vorgang entsprechend einem Steuerprogramm aus, und führt verschiedene Arten von Prozessen uns Steuerungen aus. Der Speicher 62 hat beispielsweise ein ROM und ein RAM. Das ROM speichert Steuerprogramme und Steuerdaten, die durch die CPU 61 verarbeitet werden, und das RAM wird für verschiedene Arten von Arbeitsbereichen, hauptsächlich für die Steuerprozesse, verwendet. Die Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 63 ist mit den Vorrichtungen verbunden, welche Teile des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 bilden, beispielsweise dem Luftverdichter 34, den Drucksensoren P1 bis P3, dem Sperrventil 44, dem Injektor 46, dem Gleichstromwandler 51, dem Antriebsinverter 53, dem Auslass-/Entlüftungsventil 72 und der Pumpe 75. Bei einer derartigen Konfiguration sendet der Controller 60 nach dem Empfang eines Eingangssignals von verschiedenen Arten von Sensoren, beispielsweise den Drucksensoren P1 bis P3, ein Steuersignal an verschiedene Arten von Lasten, um dadurch das gesamte System des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 zu steuern. Beispielsweise steuert der Controller 60 den Gleichstromwandler 51 derart, um die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20 zu regeln, und dadurch den Betriebspunkt (Ausgangsspannung, Ausgangsstrom) der Brennstoffzelle 20 zu steuern. Der Controller 60 bestimmt, welcher von dem Drucksensor P1 oder dem Druckregelventil 45 ausgefallen ist, wenn der Drucksensor P1 einen anormalen Wert erfasst.
Nachfolgend wird bezugnehmend auf 2 ein Prozess beschrieben, wenn der Drucksensor P1 einen anormalen Wert erfasst. Dieser Prozess wird durch den Controller 60 ausgeführt.
Während eines Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems 3 wird der Druck des Brenngases, das von der Brenngaszufuhrquelle 41 zur Brennstoffzelle 20 geliefert wird, durch die Drucksensoren P1 bis P3 überwacht. Während dieser Zeit erfasst der Drucksensor P2 einen Druck in der Brenngaszufuhrquelle 41 (z.B. 35 MPa bis 70 MPa), der Drucksensor P1 erfasst einen Druck, der durch das Druckregelventil 45 auf beispielsweise etwa 1,5 MPa verringert wurde, und der Drucksensor P3 erfasst einen Druck, der durch den Injektor 46 auf beispielsweise etwa 200 kPa verringert wurde. In diesem Zusammenhang sind die Drucksensoren P2, P1 und P3 als in einem Normalzustand befindlich definiert, solange diese Druckwerte anzeigen, die beispielsweise innerhalb der folgenden Bereiche liegen:

Drucksensor P2: 1 bis 70 MPa
Drucksensor P1:1,2 bis 1,6 MPa
Drucksensor P3: 0 bis 300 kPa

Bei derartigen Bedingungen sind vorgegebene Drücke, bei welchen die Überdruckventile 48, 49 mechanisch aktiviert werden, (Einstelldrücke) auf die folgenden Werte eingestellt:

Überdruckventil 48: 2 MPa
Überdruckventil 49: 350 kPa

Der Controller 60 bestimmt basierend auf dem Druckwert, der vom Drucksensor P1 erfasst wird (Schritt S10), ob ein anormaler Druck in der Mitteldruckleitung 42B aufgetreten ist. Genauer gesagt bestimmt der Controller 60, wenn der durch den Drucksensor P1 erfasste Druckwert einen Schwellenwert überschreitet, dass dieser Druckwert ein anormaler Wert ist (Schritt S10: Ja). Der Schwellenwert ist hierbei höher eingestellt als ein voreingestellter sekundärseitiger Druck des Druckregelventils 45 (z.B. 1,5 MPa, wie vorstehend beschrieben). Beispielsweise kann der Schwellenwert auf 2 MPa eingestellt werden, was höher ist als eine Obergrenze (1,6 MPa) des vorstehend beschriebenen Bereichs, der eingestellt wurde, um anzuzeigen, dass das Druckregelventil 45 in einem Normalzustand ist. Der Schwellenwert kann alternativ derart eingestellt werden, dass er gleich dem Einstelldruck des Überdruckventils 48 ist. Anschließend schließt der Controller 60 das Sperrventil 44 (Schritt S11). Als Ergebnis wird die Brenngaszufuhr von der Brenngaszufuhrquelle 41 zur Brenngasversorgungsleitung 42 unterbrochen. Der Controller 60 kann einhergehend mit dem Schließen des Sperrventils 44 eine Warnlampe des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 aktivieren.
Anschließend beschafft der Controller 60 einen Druckwert, der vom zweiten Drucksensor P2 erfasst wird (Schritt S12). Der Controller 60 bestimmt dann einen Ausgabegrenzwert der Brennstoffzelle 20 basierend auf dem beschafften Druckwert (Schritt S13). Genauer gesagt berechnet der Controller 60 die Brenngasmenge, die in der Hochdruckleitung 42A zwischen dem Sperrventil 44 und dem Druckregelventil 45 verbleibt, basierend auf dem Druckwert, der durch den Drucksensor P2 ermittelt wurde, und bestimmt den Ausgabegrenzwert der Brennstoffzelle 20 basierend auf dem berechneten Wert der Restmenge. Wenn der Druckwert vom zweiten Drucksensor P2 hoch ist, ist die vorstehend beschriebene Restmenge größer als bei einer Situation, bei welcher der Druckwert niedrig ist. Wenn somit der Druckwert vom Drucksensor P2 hoch ist, wird die Ausgabebegrenzung der Brennstoffzelle 20 in Vergleich zu der Situation verringert, bei welcher der Druckwert niedrig ist. Dies liegt daran, dass es in einer Situation, bei welcher der Druckwert von Drucksensor P2 hoch ist, notwendig ist, die Drücke in der Hochdruckleitung 42A und der Mitteldruckleitung 42B schnell zu verringern. In einer Situation dagegen, bei welcher der Druckwert vom Drucksensor P2 niedrig ist, wird, da ein schneller Verbrauch des Brenngases eine unzureichende Ausgangsleistung verursacht, die Ausgabebegrenzung der Brennstoffzelle 20 erhöht. Nach dem Bestimmen des Ausgabegrenzwerts der Brennstoffzelle 20 führt der Controller 60 einen Druckreduzierungsprozess für die Mitteldruckleitung 42B aus (Schritt S14). Obgleich dieser Druckreduzierungsprozess ein Prozess ist, der die Brennstoffzelle 20 veranlasst, elektrische Leistung zu erzeugen, bezieht sich der Prozess in diesem Zusammenhang auf einen Prozess zum Begrenzen der Leistungsausgabe der Brennstoffzelle 20 auf ein niedrigeres Niveau als üblich. Genauer gesagt führt der Controller 60 den Druckreduzierungsprozess für die Mitteldruckleitung 42B aus, indem die Leistungsausgabe der Brennstoffzelle 20 mittels der Steuerung durch den Gleichstromwandler 51 (Schritt S14) basierend auf dem Ausgabegrenzwert begrenzt wird, der im vorstehenden Schritt bestimmt wurde.
Dann steuert den Controller 60 den Injektor 46, um einen Prozess zum weiteren Verringern des Drucks in der Mitteldruckleitung 42B auszuführen (Schritt S15). Beispielsweise öffnet der Controller 60 einen oder mehrere Injektoren 46 oder steuert die/den Injektor(en) 46 derart, dass diese(r) öffnet/öffnen, um das Brenngas in der Mitteldruckleitung 42B in die Niederdruckleitung 42C zu führen. Als Ergebnis wird das Brenngas in der Mitteldruckleitung 42B in die Niederdruckleitung 42C gebracht, und der Druck in der Mitteldruckleitung 42B nimmt ab. Wenn eine derartige Druckabnahme auftritt, wird das Brenngas, das in der Hochdruckleitung 42A zwischen dem Sperrventil 44 und dem Druckregelventil 45 verbleibt, veranlasst, durch das mechanische Druckregelventil 45 in Richtung zur Mitteldruckleitung 42B zu strömen, und dieser Brenngasstrom wird weiter veranlasst, indem mit der Stromerzeugung der Brennstoffzelle 20 fortgefahren wird.
Nach dem Ausführen des Druckreduzierungsprozesses für die Mitteldruckleitung überwacht der Controller 60 die Druckabnahme in der Hochdruckleitung 42A unter Verwendung des Drucksensors P2 (Schritt S16), und der Controller 60 prüft, nach der Bestätigung, dass die Druckabnahme erfolgt ist (Schritt S16: Ja), ob der Druckwert, der vom Drucksensor P1 erfasst wurde, abgenommen hat oder nicht (Schritt S17). Dies liegt daran, dass nicht mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann, ob der Druck in der Mitteldruckleitung 42B abgenommen hat (ob der Druckwert vom Drucksensor P1 abgenommen hat) oder nicht, bis der Controller 60 bestätigt, dass die Druckabnahme in der Hochdruckleitung 42A aufgetreten ist, d.h. nachdem er bestätigt hat, dass das in der Hochdruckleitung 42A verbleibende Brenngas durch das mechanische Druckregelventil 45 in die Mitteldruckleitung 42B geströmt ist, und der Druck in der Hochdruckleitung 42A anschließend auf das gleiche Niveau wie der Druck in der Mitteldruckleitung 42B abgenommen hat. In diesem Zusammenhang bedeutet der Zustand, in welchem der Druckwert, der vom ersten Drucksensor P1 erfasst wurde, abgenommen hat, dass der Druckwert (ein zweiter Druckwert) vom Drucksensor P1 nach dem Schließen des Sperrventils 44 kleiner als der Druckwert vom Drucksensor P1 vor dem Schließen des Sperrventils 44 geworden ist (d.h. dass der Druckwert den vorstehend beschriebenen Schwellenwert überschreitet; ein erster Druckwert).
Wenn der vom Drucksensor P1 erfasste Druckwert abgenommen hat (Schritt S17: Ja), bestimmt der Controller 60, dass das Druckregelventil 45 ausgefallen ist (in einem anormalen Zustand ist; Schritt S18). In diesem Fall stoppt der Controller 60 die Stromerzeugung der Brennstoffzelle 20 (Schritt S19). Zu diesem Zeitpunkt kann der Controller 60 einen Insassen des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 auffordern, das Druckregelventil 45 zu prüfen und/oder zu ersetzen, indem beispielsweise eine Warnlampe aufleuchtet.
Wenn dagegen der vom Drucksensor P1 erfasste Druckwert nicht abgenommen hat (Schritt S17: Nein), bestimmt der Controller 60, dass der Drucksensor P1 ausgefallen ist (sich in einem anormalen Zustand befindet; Schritt S20). In diesem Fall hebt der Controller 60 die Ausgabebegrenzung der Brennstoffzelle 20 auf, indem das Sperrventil 44 geöffnet wird (Schritt S21). Zu diesem Zeitpunkt kann der Controller 60 einen Insassen des Fahrzeugs 1 auffordern, den Drucksensor P1 zu prüfen und/oder zu ersetzen, indem beispielsweise eine Warnlampe aufleuchtet.
Bei dem Brennstoffzellensystem 3 gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform schließt der Controller 60, wenn bestimmt wird, dass ein anormaler Druckwert durch den Drucksensor P1 erfasst wurde, zuerst das Sperrventil 44 und führt dann den Druckreduzierungsprozess für die Mitteldruckleitung 42B aus. Wenn anschließend der vom Drucksensor P1 erfasste Druckwert abgenommen hat, bestimmt der Controller 60, dass das Druckregelventil 45 ausgefallen ist, wohingegen, wenn der vom Drucksensor P1 erfasste Druckwert nicht abgenommen hat, der Controller 60 bestimmt, dass der Drucksensor P1 ausgefallen ist. Da der Controller 60 bestimmt, welcher von dem Drucksensor P1 und dem Druckregelventil 45 ausgefallen ist, ist es möglich, eine Ausfallsicherheitssteuerung auszuführen, die für den ausgefallenen Teil geeignet ist, wenn der Drucksensor P1 einen anormalen Druckwert erfasst.
Die Stromerzeugung der Brennstoffzelle 20 ist derart ausgestaltet, dass sie während der Bestimmung, ob der Drucksensor P1 oder das Druckregelventil 45 ausgefallen ist, bei der Ausgabebegrenzung gehalten wird. Es ist somit möglich, einen unmittelbaren oder ungewollten Stopp der Brennstoffzelle 20 nur aufgrund eines anormalen Druckwerts, der vom Drucksensor P1 erfasst wird, zu verhindern, und es ist möglich, eine plötzliche Verringerung der Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems 3 als solches zu verhindern. Da zudem die Leistungsausgabe der Brennstoffzelle 20 basierend auf dem Bestimmungsergebnis verändert wird, kann eine angemessene Ausfallsicherheitssteuerung erfolgen. Insbesondere wird, wenn das Druckregelventil 45 beispielsweise aufgrund einer Verstopfung mit Fremdstoffen ausgefallen ist, eine Druckregelung durch das Druckregelventil 45 nicht normal ausgeführt, und das Brenngas kann durch das Überdruckventil 48 nach außen ausgegeben werden. Wenn somit bestimmt wird, dass das Druckregelventil 45 ausgefallen ist, stoppt der Controller 60 die Stromerzeugung der Brennstoffzelle 20 (Schritte S18 und S19). Wenn dagegen der Drucksensor P1 beispielsweise aufgrund eines Nullpunktfehlers ausgefallen ist, wird die Druckregelung durch das Druckregelventil 45 normal ausgeführt, sodass das Brennstoffzellensystem 3 in einem Zustand ist, in welchem der Brennstoffzelle 20 Brenngas normal zugeführt werden kann. Wenn somit bestimmt wird, dass der Drucksensor P1 ausgefallen ist, öffnet der Controller 60 das Sperrventil 44, um die Ausgabebegrenzung der Brennstoffzelle 20 aufzuheben, und ermöglicht der Brennstoffzelle 20, elektrische Leistung wie üblich zu erzeugen (Schritte S20 und S21). Mit einer derartigen Konfiguration kann das Brennstoffzellenfahrzeug 1 weiterfahren, und somit selbst eine Werkstatt aufsuchen.
Der Controller 60 bestimmt den Ausgabegrenzwert der Brennstoffzelle 20 basierend auf dem Druckwert, der vom Drucksensor P2 erfasst wurde, nachdem das Sperrventil 44 geschlossen wurde, und begrenzt die Leistungsausgabe der Brennstoffzelle 20 basierend auf dem bestimmten Ausgabegrenzwert (Schritt S12 bis S14). Mit einer derartigen Konfiguration kann die Stromerzeugung der Brennstoffzelle 20 unter Verwendung des Ausgabegrenzwerts beibehalten werden, der für die Menge an Brenngas geeignet ist, die zwischen dem Sperrventil 44 und dem Druckregelventil 45 verbleibt.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform dient dazu, das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, und ist nicht dazu gedacht, die Interpretation der vorliegenden Erfindung zu beschränken. Die in der Ausführungsform umfassten Elemente, sowie die Anordnung, die Materialien, die Zustände, die Formen und Größen desselben sind nicht auf die in der Ausführungsform dargestellten begrenzt und können in geeigneter Weise verändert werden. Beispielsweise kann auf den Injektor 46 verzichtet werden. Alternativ kann eine andere Druckreduziervorrichtung (z.B. ein Druckregelventil) anstelle des Injektors 46 vorgesehen sein. In einigen Ausführungsformen können einer oder mehrere Schritte (Schritt S12 und S13, ein Teil von Schritt S14 sowie die Schritte S15, S16, S19 und S21), die mit gestrichelten Linien in 2 umrandet dargestellt sind, bei Bedarf weggelassen werden. Als ein Beispiel können die Schritte S12 und S13 in 2 weggelassen werden, die Leistungsausgabe der Brennstoffzelle 20 braucht nicht im Druckreduzierungsprozess aus Schritt S14 begrenzt werden. In diesem Fall kann der Druckreduzierungsprozess ausgeführt werden, indem die normale Stromerzeugung (der Normalbetrieb) der Brennstoffzelle 20 beibehalten wird. In diesem Fall kann das Sperrventil 44 geöffnet werden, und die normale Stromerzeugung (der Normalbetrieb) der Brennstoffzelle 20 kann in Schritt S21 beibehalten werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017049591 [0001]
JP 2010021127 A [0003, 0004]

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle; ein Druckregelventil, das einen Druck eines Brenngases verringert; eine Brenngasversorgungsleitung mit einer ersten Leitung, die zwischen der Brennstoffzelle und dem Druckregelventil verläuft, und einer zweiten Leitung, die von dem Druckregelventil über ein Sperrventil zu einer Brenngaszufuhrquelle verläuft; einen ersten Drucksensor, der einen Druck des Brenngases in der ersten Leitung erfasst; und einen Controller, mit dem das Sperrventil und der Drucksensor verbunden sind, wobei, wenn ein von dem ersten Drucksensor erfasster Druckwert ein anormaler Wert ist, der Controller das Sperrventil schließt und einen Druckreduzierungsprozess für die erste Leitung ausführt; und der Controller anschließend bestimmt, dass das Druckregelventil ausgefallen ist, wenn der von dem ersten Drucksensor erfasste Druckwert abgenommen hat, wohingegen der Controller bestimmt, dass der erste Drucksensor ausgefallen ist, wenn der von dem Drucksensor erfasste Druckwert nicht abgenommen hat.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Druckreduzierungsprozess ein Prozess ist, um eine Leistungsausgabe der Brennstoffzelle auf ein niedrigeres Niveau als bei einem Normalzustand zu begrenzen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei der Controller, wenn der Controller bestimmt, dass der erste Drucksensor ausgefallen ist, die Ausgabebegrenzung der Brennstoffzelle aufhebt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Controller, wenn der Controller bestimmt, dass der erste Drucksensor ausgefallen ist, die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle beibehält.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Controller, wenn der Controller bestimmt, dass das Druckregelventil ausgefallen ist, die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle stoppt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, weiter aufweisend einen zweiten Drucksensor, der einen Druck des Brenngases in der zweiten Leitung erfasst, wobei der Controller nach dem Schließen des Sperrventils einen Ausgabegrenzwert der Brennstoffzelle basierend auf einem Druckwert bestimmt, der von dem zweiten Drucksensor erfasst wurde, und die Leistungsausgabe der Brennstoffzelle basierend auf dem bestimmten Ausgabegrenzwert begrenzt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei der Controller vom zweiten Drucksensor vor und nach der Begrenzung der Leistungsausgabe der Brennstoffzelle erfasste Druckwerte vergleicht, und nach einer Bestätigung der Druckabnahme in der zweiten Leitung basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs bestimmt, ob der von dem ersten Drucksensor erfasste Druckwert abgenommen hat oder nicht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiter aufweisend einen zweiten Drucksensor, der einen Druck des Brenngases in der zweiten Leitung erfasst, wobei der Controller nach dem Schließen des Sperrventils eine Druckabnahme in der zweiten Leitung unter Verwendung des zweiten Drucksensors überwacht, und nach einer Bestätigung der Druckabnahme in der zweiten Leitung basierend auf einem Ergebnis der Überwachung bestimmt, ob der von dem ersten Drucksensor erfasste Druckwert abgenommen hat oder nicht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Controller bestimmt, dass der von dem ersten Drucksensor erfasste Druckwert ein anormaler Wert ist, wenn der erfasste Druckwert einen Schwellenwert überschreitet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiter aufweisend einen zwischen der Brennstoffzelle und dem Druckregelventil angeordneten Injektor, wobei der Injektor in der Lage ist, einen Druck des Brenngases zu reduzieren, wobei die erste Leitung eine dritte Leitung aufweist, die von der Brennstoffzelle zu dem Injektor verläuft, und eine vierte Leitung, die von dem Injektor zu dem Druckregelventil verläuft; und der erste Drucksensor einen Druck des Brenngases in der vierten Leitung erfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei der Controller nach dem Schließen des Sperrventils und vor der Bestimmung, ob der von dem ersten Drucksensor erfasste Druckwert abgenommen hat oder nicht, den Injektor steuert, um das Brenngas in der vierten Leitung in die dritte Leitung zu führen.
Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem, wobei das Brennstoffzellensystem aufweist: eine Brennstoffzelle; ein Druckregelventil, das einen Druck eines Brenngases verringert; eine Brenngasversorgungsleitung mit einer ersten Leitung, die zwischen der Brennstoffzelle und dem Druckregelventil verläuft, und einer zweiten Leitung, die von dem Druckregelventil über ein Sperrventil zu einer Brenngaszufuhrquelle verläuft; einen ersten Drucksensor, der einen Druck des Brenngases in der ersten Leitung erfasst; und einen Controller, mit dem das Sperrventil und der Drucksensor verbunden sind, wobei das Verfahren aufweist: Bestimmen, mittels des Controllers, ob ein erster Druckwert, der von dem ersten Drucksensor erfasst wird, ein anormaler Wert ist; Schließen des Sperrventils, mittels des Controllers, und Durchführen eines Druckreduzierungsprozesses für die erste Leitung; und Bestimmen, mittels des Controllers, dass das Druckregelventil ausgefallen ist, wenn ein zweiter von dem ersten Drucksensor erfasster Druckwert kleiner als der erste Druckwert ist, wohingegen mittels des Controllers bestimmt wird, dass der Drucksensor ausgefallen ist, wenn der zweite Druckwert nicht kleiner als der erste Druckwert ist.