DE102018126452A1

DE102018126452A1 - Brennstoffzellensystem und Steuerungsverfahren für eine Turbine

Info

Publication number: DE102018126452A1
Application number: DE102018126452.6A
Authority: DE
Inventors: Yuichiro Hayase
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2018-10-24
Publication date: 2019-05-02
Also published as: US20190131642A1; JP2019087325A; CN109860668B; CN109860668A; US10818943B2; JP6881240B2

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem weist Folgendes auf: eine Turbine (80) mit einem Änderungsmechanismus (85), der eine Druckdifferenz zwischen einem stromaufwärtigen Druck und einem stromabwärtigen Druck der Turbine (80) einstellt, wobei die Turbine (80) zumindest einen Teil einer Energie des Kathodenabgases unter Verwendung der Druckdifferenz wiedererlangt und ein Antreiben des Motors (62) mit der wiedererlangten Energie unterstützt; und eine Steuereinheit (90), die gestaltet ist, um den Änderungsmechanismus (85) anzutreiben, um die wiedererlangte Energie zu erhöhen oder zu verringern. Die Steuereinheit (90) erlangt eine Korrelationstemperatur, die mit einer Temperatur des Kathodenabgases korreliert ist, das von der Turbine (80) abgegeben wird, und führt eine Gefriervermeidungssteuerung eines Nichteinstellens des Öffnungsgrads, um gleich wie oder geringer als ein vorbestimmter Öffnungsgrad zu sein, durch, wenn die korrelierte Temperatur geringer als eine vorbestimmte Schwellentemperatur ist, bei der die Turbine (80) gefrieren kann.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Turbine, die ein Antreiben eines Kompressors unterstützt, und ein Steuerverfahren für die Turbine.
Beschreibung des Stands der Technik
In dem Stand der Technik ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Kompressor bekannt, das ein Kathodengas zu einer Brennstoffzelle zuführt. In einem Brennstoffzellensystem, das in der ungeprüften Japanischen Patentanmeldungsoffenlegung Nr. 2012-221657 ( JP 2012-221657 A ) beschrieben ist, wird eine Turbine durch die Energie eines Kathodenabgases (off-gas) gedreht, dessen Temperatur aufgrund einer Emission von Wärme von einer Brennstoffzelle erhöht wurde, und ein Antreiben eines Kompressors wird mit der Leistung beziehungsweise Kraft unterstützt, die durch solch eine Drehung erzeugt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Jedoch gibt es in dem Brennstoffzellensystem, das in JP 2012-221657 A beschrieben ist, ein Problem darin, dass eine Energiemenge, die von dem Kathodengas wiedererlangt wird, nicht ausreichend sein kann. Deshalb hat der Erfinder der Erfindung versucht, die wiedererlangte Energiemenge durch ein Einengen eines Strömungsdurchgangs für das Kathodenabgas zu erhöhen, um eine Druckdifferenz zwischen einem stromaufwärtigen Druck und einem stromabwärtigen Druck der Turbine zu vergrößern. Wenn der Strömungsdurchgang für das Kathodenabgas eingeengt beziehungsweise verschmälert wird, verringert sich die Temperatur aufgrund einer Expansion beziehungsweise Ausdehnung des Kathodenabgases, und daher gibt es ein Problem darin, dass eine Wahrscheinlichkeit besteht, dass es eine Taukondensation an der Turbine und ein Einfrieren von dieser geben wird aufgrund einer großen Menge von Wasserdampf, der in dem Kathodenabgas enthalten ist.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, das Folgendes aufweist: eine Brennstoffzelle; einen Kompressor, der ein Kathodengas zu der Brennstoffzelle zuführt; einen Motor, der den Kompressor antreibt; einen Kathodengasabgabedurchgang, in den ein Kathodenabgas strömt, das von der Brennstoffzelle abgegeben wird; eine Turbine, die in dem Kathodengasabgabedurchgang angeordnet ist und durch das Kathodenabgas angetrieben wird, wobei die Turbine einen Änderungsmechanismus aufweist, der einen Öffnungsgrad eines Strömungsdurchgangs für das Kathodenabgas, das durch die Turbine durchtritt, ändert, um eine Druckdifferenz zwischen einem stromaufwärtigen Druck und einem stromabwärtigen Druck der Turbine einzustellen, wobei die Turbine zumindest einen Teil einer Energie des Kathodenabgases unter Verwendung der Druckdifferenz wiedererlangt und ein Antreiben des Motors mit der wiedererlangten beziehungsweise zurückgewonnenen Energie unterstützt; und eine Steuereinheit, die gestaltet ist, um den Änderungsmechanismus anzutreiben, um die wiedererlangte Energie zu erhöhen oder zu verringern. Die Steuereinheit ist gestaltet, um eine Korrelationstemperatur zu erlangen, die mit einer ersten Temperatur des Kathodenabgases korreliert ist, das von der Turbine abgegeben wird, und um eine Gefriervermeidungssteuerung eines Nicht-Einstellens des Öffnungsgrads, um gleich wie oder geringer als ein vorbestimmter Öffnungsgrad zu sein, durchzuführen, wenn die Korrelationstemperatur geringer als eine vorbestimmte Schwellentemperatur ist, bei der die Turbine in der Lage ist, einzufrieren. In diesem Brennstoffzellensystem, da die Korrelationstemperatur, die mit der ersten Temperatur korreliert ist, erlangt wird, und der Öffnungsgrad nicht eingestellt wird, um gleich wie oder geringer als der vorbestimmte Öffnungsgrad zu sein, wenn die Korrelationstemperatur geringer als die vorbestimmte Schwellentemperatur ist, bei der die Turbine in der Lage ist, einzufrieren, ist es möglich, eine Verringerung in einer Energiemenge, die von dem Kathodenabgas wiedererlangt wird, einzudämmen, um eine Verringerung in der ersten Temperatur des Kathodenabgases, das von der Turbine abgegeben wird, einzudämmen und ein Einfrieren der Turbine einzudämmen.
Die Steuereinheit kann gestaltet sein, um den Öffnungsgrad als die Gefriervermeidungssteuerung zu erhöhen. Gemäß dieser Konfiguration, wenn die Korrelationstemperatur geringer als die vorbestimmte Schwellentemperatur ist, bei der die Turbine in der Lage ist, einzufrieren, wird der Öffnungsgrad erhöht. Entsprechend ist es möglich, eine Expansion beziehungsweise Ausdehnung des Kathodengases einzudämmen, das von der Turbine abgegeben wird, um eine Verringerung in der ersten Temperatur des Kathodenabgases weiter einzudämmen und um ein Einfrieren der Turbine weiter einzudämmen.
Die Steuereinheit kann gestaltet sein, um eine zweite Temperatur des Kathodengases, das noch nicht in den Kompressor eingeleitet wurde, als die Korrelationstemperatur zu erlangen. Gemäß dieser Konfiguration, da die zweite Temperatur des Kathodengases, das noch nicht in den Kompressor eingeleitet wurde, als die Korrelationstemperatur erlangt wird, ist es möglich, ein Niedertemperaturumfeld beziehungsweise eine Umgebung mit geringer Temperatur akkurat beziehungsweise genau zu erfassen, in dem beziehungsweise in der die Turbine einfrieren kann.
Die Steuereinheit kann gestaltet sein, um die Gefriervermeidungssteuerung durchzuführen, wenn die Korrelationstemperatur geringer als die Schwellentemperatur ist und eine vorbestimmte Zeit nicht verstrichen ist, nachdem das Brennstoffzellensystem gestartet wurde. Gemäß dieser Konfiguration wird die Gefriervermeidungssteuerung durchgeführt, wenn die Korrelationstemperatur geringer als die Schwellentemperatur ist und eine vorbestimmte Zeit nicht verstrichen ist, nachdem das Brennstoffzellensystem gestartet wurde. Entsprechend ist es möglich, eine Verringerung in einem Öffnungsgrad zu verhindern, wenn eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, nachdem sie gestartet wurde und eine geringe Wahrscheinlichkeit besteht, dass die Turbine einfrieren wird, und um eine Verringerung in einer Energiemenge, die von dem Kathodenabgas wiedererlangt wird, einzudämmen.
Das Brennstoffzellensystem kann ferner einen Temperatursensor aufweisen, der eine dritte Temperatur des Kathodenabgases erfasst, das von der Brennstoffzelle abgegeben wurde und noch nicht in die Turbine eingeleitet wurde. Die Steuereinheit kann gestaltet sein, um die erste Temperatur basierend auf der erfassten dritten Temperatur des Kathodenabgases zu schätzen und die geschätzte erste Temperatur als die Korrelationstemperatur zu erlangen beziehungsweise zu übernehmen. Gemäß dieser Konfiguration, da die erste Temperatur basierend auf der erfassten dritten Temperatur des Kathodenabgases geschätzt wird, und die geschätzte erste Temperatur als die Korrelationstemperatur übernommen beziehungsweise angenommen wird, ist es möglich, den Öffnungsgrad unter Verwendung einer Temperatur mit einer hohen Korrelation zu der tatsächlichen ersten Temperatur beziehungsweise ersten Ist-Temperatur zu steuern.
Die Steuereinheit kann gestaltet sein, um als die Gefriervermeidungssteuerung den Öffnungsgrad zu berechnen, bei dem die Korrelationstemperatur gleich der Schwellentemperatur ist, und den Öffnungsgrad derart zu steuern, dass der Öffnungsgrad der berechnete Öffnungsgrad wird. Gemäß dieser Konfiguration, da der Öffnungsgrad derart berechnet wird, dass die geschätzte erste Temperatur gleich der Schwellentemperatur ist und der Öffnungsgrad derart gesteuert wird, dass der Öffnungsgrad der berechnete Öffnungsgrad wird, ist es möglich, einen übermäßigen Anstieg in dem Öffnungsgrad und eine Verringerung in einer Energiemenge, die von dem Kathodenabgas wiedererlangt beziehungsweise wiedergewonnen wird, abzuschwächen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Steuerverfahren für eine Turbine vorgesehen, die durch ein Kathodenabgas angetrieben wird, das von einer Brennstoffzelle abgegeben wird, um zumindest einen Teil einer Energie des Kathodenabgases wiederzuerlangen beziehungsweise wiederzugewinnen und um ein Antreiben eines Antriebsmotors eines Kompressors zu unterstützen, der das Kathodengas zu der Brennstoffzelle unter Verwendung der wiedergewonnenen Energie zuführt. Das Steuerverfahren weist Folgendes auf: ein Erlangen einer Korrelationstemperatur, die mit einer ersten Temperatur des Abgases korreliert ist, das von der Turbine abgegeben wird; und ein Nicht-Einstellen eines Öffnungsgrads eines Strömungsdurchgangs für das Abgas, das durch die Turbine tritt, um gleich wie oder geringer als ein vorbestimmter Öffnungsgrad zu sein, wenn die Korrelationstemperatur geringer als eine vorbestimmte Schwellentemperatur ist, bei der die Turbine in der Lage ist, einzufrieren bzw. bei der die Turbine einfrieren kann.
Die Erfindung kann in verschiedenen Formen verschieden zu dem Brennstoffzellensystem und dem Steuerverfahren für eine Turbine ausgeführt beziehungsweise verkörpert werden. Zum Beispiel kann die Erfindung in Formen, wie zum Beispiel einem Steuerverfahren für eine Brennstoffzelle und einem Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem verkörpert werden.
Figurenliste
Merkmale, Vorteile und technische und industrielle Signifikanz von Beispielsausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und wobei:

1 ein Diagramm ist, das eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform schematisch darstellt;
2 ein Diagramm ist, das schematisch eine Konfiguration einer Einheit darstellt;
3 eine Schnittansicht ist, die entlang einer Linie 3-3 in 2 genommen ist;
4 eine Schnittansicht ist, die entlang einer Linie 3-3 in 2 genommen ist;
5 ein Diagramm ist, das ein Beispiel eines Turbinencharakteristikakennfelds bzw. Turbinenkennfelds darstellt, das in einer normalen Steuerung verwendet wird;
6 ein Flussdiagramm ist, das einen Ablauf einer Gefriervermeidungssteuerung darstellt;
7 ein Flussdiagramm ist, das einen Ablauf eines Gefrierbestimmungsprozesses darstellt;
8 ein Diagramm ist, das schematisch eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt;
9 ein Flussdiagramm ist, das einen Ablauf einer Gefriervermeidungssteuerung gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt;
10 ein Flussdiagramm ist, das einen Ablauf eines Gefrierbestimmungsprozesses gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt;
11 ein Diagramm ist, das ein Beispiel eines Turbinenkennfelds darstellt, das eine Turbineneffizienz anzeigt; und
12 ein Diagramm ist, das ein Beispiel eines Turbinenkennfelds darstellt, das eine Turbineneffizienz anzeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste Ausführungsform
A-1. Konfiguration eines Brennstoffzellensystems
1 ist ein Diagramm, das schematisch eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt. Ein Brennstoffzellensystem 10 ist ein System, das eine Antriebsleistungsquelle versorgt und ist in einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert, das nicht dargestellt ist.
Das Brennstoffzellensystem 10 weist eine Brennstoffzelle 15, ein Kühlsystem 20, ein Anodengaszuführ-/-abgabesystem 30, eine Turbinen-angebrachte Kompressoreinheit 100 (hiernach lediglich als eine „Einheit 100“ bezeichnet), ein Kathodengaszuführ- beziehungsweise -versorgungssystem 40, ein Kathodengasabgabesystem 70 und eine Steuereinheit 90 auf.
Die Brennstoffzelle 15 ist eine sogenannte Brennstoffzelle der Feststoffpolymerart und erzeugt elektrische Leistung mit einem Reaktionsmittelgas (einem Anodengas oder einem Kathodengas), das zugeführt wird. Die Brennstoffzelle 15 hat einen geschichteten beziehungsweise gestapelten Aufbau, in dem eine Vielzahl von Einheitszellen gestapelt ist.
Das Kühlsystem 20 kühlt die Brennstoffzelle 15. Das Kühlsystem 20 weist einen Kühlmittelzuführdurchgang 21, einen Kühlmittelabgabedurchgang 22, einen Kühler 23 und eine Kühlmittelpumpe 24 auf.
Der Kühlmittelzuführdurchgang 21 führt Kühlwasser als das Kühlmittel zu der Brennstoffzelle 15 zu. Ein Antigefrierfluid, wie zum Beispiel Ethylenglycol, Luft oder dergleichen, kann als das Kühlwasser verwendet werden. Der Kühlmittelabgabedurchgang 22 schickt das Kühlmittel, das von der Brennstoffzelle 15 abgegeben wird, zu dem Kühler 23. Der Kühler 23 leitet Wärme von dem Kühlmittel ab. Die Kühlmittelpumpe 24 ist in dem Kühlmittelzuführdurchgang 21 angeordnet und zirkuliert das Kühlmittel.
Das Anodengaszuführ-/-abgabesystem 30 führt Wasserstoff als ein Anodengas zu der Brennstoffzelle 15 zu und gibt Wasserstoff von dieser ab. Das Anodengaszuführ-/-abgabesystem 30 weist einen Anodengastank 31, einen Anodengaszuführdurchgang 32, ein Hauptabsperrventil 33, ein Druckregulierventil 34, einen Anodengaszirkulationsdurchgang 35, einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider 36, eine Zirkulationspumpe 37, ein Anodenabgas-/-flüssigkeitsventil 38 und einen Anodenabgas-/-flüssigkeitsdurchgang 39 auf.
Der Anodengastank 31 speichert Hochdruckwasserstoff. Der Anodengaszuführdurchgang 32 verbindet den Anodengastank 31 und die Brennstoffzelle 15. Das Hauptabsperrventil 33 und das Druckregulierventil 34 sind in dem Anodengaszuführdurchgang 32 vorgesehen. Das Hauptabsperrventil 33 schaltet eine Zufuhr eines Anodengases von dem Anodengastank 31 in Übereinstimmung mit einem Steuerbefehl von der Steuereinheit 90 an oder ab. Das Druckregulierventil 34 ist stromabwärts von dem Hauptabsperrventil 33 angeordnet und stellt einen Druck des Anodengases, das zu der Brennstoffzelle 15 zugeführt wird, in Übereinstimmung mit einem Steuerbefehl von der Steuereinheit 90 ein.
Der Anodengaszirkulationsdurchgang 35 ist mit der Brennstoffzelle 15 und dem Anodengaszuführdurchgang 32 verbunden und zirkuliert ein Anodenabgas (off-gas), das von der Brennstoffzelle 15 abgegeben wird, in dem Anodengaszuführdurchgang 32. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 36 und die Zirkulationspumpe 37 sind in dem Anodengaszirkulationsdurchgang 35 vorgesehen. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 36 scheidet flüssiges Wasser von dem Anodenabgas ab, das flüssiges Wasser enthält, das von der Brennstoffzelle 15 abgegeben wird. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 36 scheidet außerdem Verunreinigungsgase ab, die in dem Anodenabgas enthalten sind, zum Beispiel Stickstoffgas. Das Anodenabgas, das nicht verwendetes Wasserstoffgas enthält, wird in dem Anodengaszuführdurchgang 32 durch die Zirkulationspumpe 37 zirkuliert. Das Anodenabgas-/-flüssigkeitsventil 38 wird bei einer vorbestimmten Zeit in Übereinstimmung mit einem Steuerbefehl von der Steuereinheit 90 geöffnet. Entsprechend werden das abgeschiedene flüssige Wasser und das abgeschiedene Stickstoffgas von dem System über den Anodenabgas-/-flüssigkeitsdurchgang 39 abgegeben.
Die Einheit 100 weist einen Kompressor 60 und eine Turbine 80 auf. Der Kompressor 60 ist in dem Kathodengaszuführsystem 40 zusammengesetzt und die Turbine 80 ist in dem Kathodengasabgabesystem 70 zusammengesetzt. Der Kompressor 60 und die Turbine 80 sind miteinander über einen Motor 62 verbunden. Die Einheit 100 gewinnt Energie von einem Kathodenabgas zurück und führt das Kathodengas zu der Brennstoffzelle 15 unter Verwendung der zurückgewonnenen Energie als einer Hilfsleistung zu.
2 ist ein Diagramm, das schematisch eine Konfiguration der Einheit 100 darstellt. In 2 ist ein Teil der Einheit 100 in einer Schnittansicht dargestellt, die eine Achse CX des Motors 62 umfasst.
Der Kompressor 60 weist ein Gehäuse 61, einen Motor 62, eine Welle 63, ein Laufrad 64, einen Einlasskanal 65 und eine Kompressorschnecke 66 auf. Der Kompressor 60 saugt Luft als ein Kathodengas an und komprimiert dieses und führt die komprimierte Luft zu der Brennstoffzelle 15 zu, die in 1 dargestellt ist.
Das Gehäuse 61 hat die Elemente des Kompressors 60, der darin beherbergt ist. Der Motor 62 arbeitet in Übereinstimmung mit einem Steuerbefehl von der Steuereinheit 90 und treibt den Kompressor 60 an. Die Welle 63 ist als eine Drehwelle des Motors 62 gestaltet und überträgt ein Drehmoment des Motors 62 an das Laufrad 64. Das Laufrad 64 ist durch ein Flügelrad gestaltet beziehungsweise gebildet und komprimiert und fördert das Kathodengas, das von dem Einlasskanal 65 aus angesaugt wird, zu der Kompressorschnecke 66 hin unter Verwendung einer Zentrifugalkraft, wenn es sich dreht. Der Einlasskanal 85 ist mit einem stromaufwärtigen Zuführdurchgang 41 des Kathodengaszuführsystems 40 verbunden, das in 1 dargestellt ist. Die Kompressorschnecke 66, die in 2 dargestellt ist, hat ein spiralförmiges Erscheinungsbild und führt das komprimierte Kathodengas zu einem stromabwärtigen Zuführdurchgang 51 des Kathodengaszuführsystems 40, das in 1 dargestellt ist.
Die Turbine 80 weist ein Turbinengehäuse 81, ein Turbinenrad 82, eine Turbinenschnecke 83, einen Auslasskanal 84 und einen Änderungsmechanismus 85 auf. Die Turbine 80 gewinnt zumindest einen Teil der Energie des Kathodenabgases zurück, das von der Brennstoffzelle 15 abgegeben wird, die in 1 dargestellt ist, und unterstützt ein Antreiben des Motors 62 unter Verwendung der wiedergewonnenen Energie.
Das Turbinengehäuse 81 ist einstückig mit dem Gehäuse 61 ausgebildet und hat die Elemente der Turbine 80, die darin untergebracht sind. Das Turbinenrad 82 ist als ein Flügelrad gestaltet und dreht sich mit der Energie des Kathodenabgases. Das Turbinenrad 82 ist mit dem Laufrad 64 über die Welle 63 verbunden. Leistung, die durch die Drehung des Turbinenrads 82 erzeugt wird, wird an den Motor 62 übertragen und wird als Hilfsleistung für den Motor 62 verwendet. Die Turbinenschnecke 83 hat ein spiralförmiges Erscheinungsbild, ist mit dem Kathodengasabgabedurchgang 61, der in 1 dargestellt ist, verbunden, und nimmt das Kathodenabgas, das von der Brennstoffzelle 15 abgegeben wird, in das Turbinengehäuse 81 herein. Der Auslasskanal 84, der in 2 dargestellt ist, führt das Kathodenabgas, das durch das Turbinenrad 82 tritt, zu dem Kathodengasabgabedurchgang 71, der in 1 dargestellt ist, genauer gesagt zu einem Schalldämpfer (muffler) 78. Die Temperatur des Kathodenabgases, das durch die Turbine 80 tritt, verringert sich gemäß einem Expansionshub der Turbine 80.
Der Änderungsmechanismus 85 hat einen sogenannten variablen Düsenaufbau, ändert einen Öffnungsgrad eines Strömungsdurchgangs (hiernach lediglich als ein „Öffnungsgrad“ bezeichnet) des Kathodenabgases, das durch die Turbine 80 tritt, und stellt eine Druckdifferenz zwischen einem stromaufwärtigen Druck und einem stromabwärtigen Druck der Turbine 80 ein. Der Öffnungsgrad des Strömungsdurchgangs für das Kathodenabgas, das durch die Turbine 80 tritt, wird auch als ein Öffnungsgrad des Änderungsmechanismus 85 bezeichnet. Der Änderungsmechanismus 85 weist einen Änderungsmechanismusantriebsmotor 86, eine Vielzahl von variablen Flügeln beziehungsweise Schaufeln 87 und eine Vielzahl von Wellenabschnitten beziehungsweise Schaftabschnitten 88 auf. Der Änderungsmechanismusantriebsmotor 86 dreht die variablen Flügel 87 in Übereinstimmung mit einem Steuerbefehl von der Steuereinheit 90.
3 und 4 sind Schnittansichten der Turbine 80, die entlang einer Linie 3-3 in 2 genommen sind. 3 stellt schematisch ein Beispiel dar, in dem der Öffnungsgrad relativ groß ist (ein großer Öffnungsgrad), und 4 stellt schematisch ein Beispiel dar, in dem der Öffnungsgrad relativ klein ist (ein kleiner Öffnungsgrad).
Eine Vielzahl von variablen Flügeln 87 ist in einer Umfangsrichtung außerhalb des Turbinenrads 82 in einer radialen Richtung angeordnet. Jeder variable Flügel 87 ist gestaltet, um um einen vorbestimmten Winkel herum um den entsprechenden Wellenabschnitt 88 drehbar zu sein. Jeder Wellenabschnitt 88 ist mit dem Änderungsmechanismusantriebsmotor 86 über einen Synchronring bzw. Gleichlaufring (unison ring) und einen Verbindungsmechanismus verbunden, die nicht dargestellt sind. Wenn die variablen Flügel 87 schwenken, ändert sich die Magnitude beziehungsweise die Stärke eines Spalt zwischen benachbarten variablen Flügeln 87 und der Öffnungsgrad ändert sich.
Ein Durchgangsquerschnittsbereich, in dem das Kathodenabgas strömt, ist groß, wenn der Öffnungsgrad groß ist, und ist klein, wenn der Öffnungsgrad klein ist. Der Öffnungsgrad kann zum Beispiel durch ein Verhältnis eines Ist-Durchgangsquerschnittsbereichs ausgedrückt werden, wenn der Durchgangsquerschnittsbereich in einem vollständig offenen Zustand auf 100% eingestellt ist. Wenn der Öffnungsgrad sich verringert, erhöht sich die Druckdifferenz des Kathodenabgases zwischen dem stromaufwärtigen Druck und dem stromabwärtigen Druck der Turbine 80 und ein Expansionsverhältnis des Kathodenabgases, das durch das Turbinenrad 82 tritt, steigt.
Im vorliegenden Fall bezeichnet das Expansionsverhältnis beziehungsweise Ausdehnungsverhältnis des Kathodenabgases ein Verhältnis eines Druck P4 des Kathodenabgases an einem Einlass der Turbine 80 (hiernach lediglich als ein „Einlassdruck P4“ bezeichnet) zu einem Druck P6 des Kathodenabgases an einem Auslass der Turbine 80 (hiernach lediglich als ein „Auslassdruck P6“ bezeichnet). Im Allgemeinen gilt, je größer das Expansionsverhältnis (P4/P6) wird, desto geringer wird eine Temperatur T6 des Kathodenabgases an dem Auslass der Turbine 80 (hiernach als eine „Abgabetemperatur T6“ bezeichnet).
Das Kathodengaszuführsystem 40, das in 1 dargestellt ist, führt ein Kathodengas zu der Brennstoffzelle 15 zu. Das Kathodengaszuführsystem 40 weist einen stromaufwärtigen Zuführdurchgang 41, einen Luftfilter 42, einen Atmosphärendrucksensor 43, einen Luftfiltertemperatursensor 44, einen Luftmengenmesser (air flowmeter) 45, einen stromabwärtigen Zuführdurchgang 51, einen Ladeluftkühler (intercooler) 52, einen Zuführgastemperatursensor 53, einen Zuführgasdrucksensor 54 und ein Einlassventil 55 zusätzlich zu dem Kompressor 60 der Einheit 100 auf.
Der stromaufwärtige Zuführdurchgang 41 bildet einen Strömungsdurchgang stromaufwärts von dem Kompressor 60 in dem Kathodengaszuführsystem 40. Der Luftfilter 42 entfernt Staub, wenn das Kathodengas hereingenommen wird. Der Atmosphärendrucksensor 43 erfasst einen Atmosphärendruck. Der Luftfiltertemperatursensor 44 erfasst eine Außenlufttemperatur. Der Luftmengenmesser 45 erfasst eine Menge des Kathodengases, die in den Luftfilter 42 hereingenommen wird. Die Erfassungsergebnisse des Atmosphärendrucksensors 43, des Luftfiltertemperatursensors 44 und des Luftmengenmessers 45 werden an die Steuereinheit 90 übertragen.
Der stromabwärtige Zuführdurchgang 51 bildet einen Strömungsdurchgang stromabwärts von dem Kompressor 60 in dem Kathodengaszuführsystem 40. Der Ladeluftkühler beziehungsweise Intercooler 52 kühlt das Kathodengas, das durch den Kompressor 60 komprimiert wurde und in einer Temperatur erhöht wurde. Der Zuführgastemperatursensor 53 misst die Temperatur des Kathodengases, das in die Brennstoffzelle 15 zugeführt wird. Der Zuführgasdrucksensor 54 misst einen Druck des Kathodengases, das zu der Brennstoffzelle 15 zugeführt wird. Das Einlassventil 55 ist näher an der Brennstoffzelle 15 als eine Abzweigung zu einem Umgehungsströmungsdurchgang 73 in dem stromabwärtigen Zuführdurchgang 51 angeordnet. Das Einlassventil 55 stellt eine Strömungsrate des Kathodengases in Übereinstimmung mit einem Steuerbefehl von der Steuereinheit 90 ein.
Das Kathodengasabgabesystem 70 gibt ein Kathodengas von der Brennstoffzelle 15 ab. Das Kathodengasabgabesystem 70 weist einen Kathodengasabgabedurchgang 71, ein Druckregulierventil 72, einen Umgehungsströmungsdurchgang 73, ein Umgehungsventil 74 und einen Schalldämpfer 78 zusätzlich zu der Turbine 80 der vorangehend genannten Einheit 100 auf.
Das Kathodenabgas, das von der Brennstoffzelle 15 abgegeben wird, strömt in den Kathodengasabgabedurchgang 71. Das Druckregulierventil 72 ist näher an der Brennstoffzelle 15 als eine Verbindungsstelle zu dem Umgehungsströmungsdurchgang 73 in dem Kathodengasabgabedurchgang 71 angeordnet. Das Druckregulierventil 72 stellt einen Druck des Kathodengases in der Brennstoffzelle 15 in Übereinstimmung mit einem Steuerbefehl von der Steuereinheit 90 ein. Der Umgehungsströmungsdurchgang 73 verbindet den stromabwärtigen Zuführdurchgang 51 mit dem Kathodengasabgabedurchgang 71. Das Umgehungsventil 74 ist in dem Umgehungsströmungsdurchgang 73 angeordnet. Das Umgehungsventil 74 stellt eine Strömungsrate des Kathodengases, das in dem Umgehungsströmungsdurchgang 73 strömt, in Übereinstimmung mit einem Steuerbefehl von der Steuereinheit 90 ein.
Ein stromabwärtiges Ende des Anodenabgas-/-flüssigkeitsdurchgangs 39 des Anodengaszuführ-/-abgabesystems 30 ist mit einem Teil stromabwärts von der Turbine 80 in dem Kathodengasabgabedurchgang 71 verbunden. Der Schalldämpfer 78 ist stromabwärts von einer Verbindungsstelle mit dem Anodenabgas-/-flüssigkeitsdurchgang 39 in dem Kathodengasabgabedurchgang 71 angeordnet. Der Schalldämpfer 78 reduziert ein Abgasgeräusch des Kathodenabgases.
Die Steuereinheit 90 ist ein Mikrocomputer mit einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) und einer Hauptspeichervorrichtung und ist als eine elektronische Steuereinheit ausgebildet. Die Steuereinheit 90 steuert den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10. Die Steuereinheit 90 erlangt Ausgangssignale beziehungsweise Ausgabesignale von verschiedenen Sensoren, wie zum Beispiel dem Atmosphärendrucksensor 43, dem Luftfiltertemperatursensor 44, dem Luftmengenmesser 44, dem Zuführgastemperatursensor 53 und dem Zuführgasdrucksensor 54. Die Steuereinheit 90 gibt Antriebssignale an verschiedene Ventile aus, wie zum Beispiel das Hauptabsperrventil 33, das Druckregulierventil 34, das Anodenabgas-/-flüssigkeitsventil 38, das Einlassventil 55, das Druckregulierventil 72 und das Umgehungsventil 74 oder die Einheiten, die mit einer Erzeugung von Leistung in der Brennstoffzelle 15 assoziiert sind, wie zum Beispiel dem Motor 62, dem Änderungsmechanismusantriebsmotor 86, der Kühlmittelpumpe 24 und der Zirkulationspumpe 37. Die Steuereinheit 90 erhöht und verringert einen Betrag von Energie, die aus dem Kathodenabgas wiedererlangt werden kann, durch ein Antreiben des Änderungsmechanismus 85. Die Steuereinheit 90 führt eine Gefriervermeidungssteuerung durch, die später beschrieben wird.
Die Steuereinheit 90 erhöht einen Energiebetrag, der von dem Kathodenabgas wiedererlangt wird, durch ein Bestimmen und Steuern des Öffnungsgrads in Abhängigkeit von der Strömungsrate des Kathodenabgases in einer normalen Steuerung. In dieser Ausführungsform bestimmt die Steuereinheit 90 zuerst einen Sollwert beziehungsweise Zielwert eines Expansionsverhältnisses des Kathodenabgases (hiernach als ein „Sollexpansionsverhältnis“ bezeichnet) und bestimmt den Öffnungsgrad mit Bezug auf ein Turbinenkennfeld, das eine Beziehung zwischen dem Sollexpansionsverhältnis, der Strömungsrate des Kathodenabgases und dem Öffnungsgrad anzeigt.
In dieser Ausführungsform wird ein oberer Grenzwert eines Expansionsverhältnisses P4/P6, der in Abhängigkeit von einem Druck P3 an einem Auslass der Brennstoffzelle 15 bestimmt wird (hiernach lediglich als ein „Brennstoffzellenauslassdruck P3“ bezeichnet), als das Sollexpansionsverhältnis verwendet. In dieser Ausführungsform kann der Brennstoffzellenauslassdruck P3 in Erwägung eines Druckverlusts in der Brennstoffzelle 15 oder dergleichen basierend auf dem Druck, der durch den Zuführgasdrucksensor 54 gemessen ist, und den Öffnungsgraden des Einlassventils 55, des Druckregulierventils 52 und des Umgehungsventils 74 berechnet werden. Der Brennstoffzellenauslassdruck P3 kann gemessen werden durch ein Vorsehen eines Drucksensors in dem Druckregulierventil 72. In dieser Ausführungsform wird der Auslassdruck P6 als ein angenäherter Wert des Atmosphärendrucks berechnet, der durch den Atmosphärendrucksensor 43 erfasst ist, kann jedoch berechnet werden durch ein Anwenden eines Korrekturkoeffizienten auf den Atmosphärendruck in Erwägung des Druckverlusts in dem Schalldämpfer 78 oder dergleichen. Es ist bevorzugt, dass der Einlassdruck P4 nicht größer als der Brennstoffzellenauslassdruck P3 ist, um den Druck in der Brennstoffzelle 15 auf einem geeigneten Wert beizubehalten. Entsprechend hängt der obere Grenzwert des Einlassdrucks P4 von dem Brennstoffzellenauslassdruck P3 ab. Entsprechend wird der obere Grenzwert des Expansionsverhältnisses P4/P6 durch den Auslassdruck P6 und den Brennstoffzellenauslassdruck P3 bestimmt und das Sollexpansionsverhältnis wird bestimmt.
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Turbinenkennfelds darstellt, das für eine normale Steuerung verwendet wird. In 5 repräsentiert die vertikale Achse das Expansionsverhältnis P4/P6 und repräsentiert die horizontale Achse eine Strömungsrate G4 des Kathodenabgases, das in die Turbine 80 strömt. In 5 sind zum Zwecke einer Einfachheit einer Erläuterung zwei Kurven in einem Fall, in dem der Öffnungsgrad relativ groß ist (ein großer Öffnungsgrad), und einem Fall, in dem der Öffnungsgrad relativ klein ist (ein kleiner Öffnungsgrad), dargestellt und andere Kurven mit unterschiedlichen Öffnungsgraden sind nicht dargestellt. Das Turbinenkennfeld ist vorab in der Hauptspeichervorrichtung der Steuereinheit 90 gespeichert.
In dieser Ausführungsform wird eine Strömungsrate eines Kathodengases, die durch den Luftmengenmesser 45 erfasst wird, als eine Strömungsrate G4 des Kathodenabgases verwendet, das in die Turbine 80 einströmt. Stattdessen kann die Strömungsrate G4 durch ein Anwenden eines Korrekturkoeffizienten auf die Strömungsrate des Kathodengases, die durch den Luftmengenmesser 45 erfasst ist, berechnet werden oder kann durch ein Vorsehen eines Strömungsratensensors in dem Kathodengasabgabedurchgang 71 gemessen werden.
Die Steuereinheit 90 bestimmt einen Öffnungsgrad aus einem Schnittpunkt zwischen der Strömungsrate G4 des Kathodenabgases und dem bestimmten Sollexpansionsverhältnis mit Bezug auf das Turbinenkennfeld, das in 5 dargestellt ist. In 5 ist ein Beispiel dargestellt, in dem die Strömungsrate G4 des Kathodenabgases x ist und das Sollexpansionsverhältnis y ist. Da die Kurve, die sich an dem Schnittpunkt R1 zwischen x und y befindet, eine Kurve eines „großen Öffnungsgrads“ ist, bestimmt die Steuereinheit 90 den Öffnungsgrad, um der „große Öffnungsgrad“ zu sein. Die Steuereinheit 90 gibt ein Antriebssignal an den Änderungsmechanismusantriebsmotor 86 aus, so dass der Öffnungsgrad des Änderungsmechanismus 85 der bestimmte Öffnungsgrad wird.
Eine große Menge von Wasserdampf oder Tröpfchen, die Produkte sind, die durch eine chemische Reaktion der Brennstoffzelle 15 erzeugt werden, ist in dem Kathodenabgas enthalten. Entsprechend, wenn die Temperatur des Kathodenabgases zur Zeit eines Hindurchtretens durch die Turbine 80 sinkt, wird das Turbinenrad 82, das Turbinengehäuse 81 und dergleichen taukondensiert (dew-condensed) und aufgrund einer großen Menge von Wasserdampf oder Tröpfchen, die in dem Kathodenabgas enthalten sind, eingefroren. Das Einfrieren beziehungsweise Gefrieren der Turbine 80 tritt wahrscheinlich in einer kalten Region auf, in der eine Außenlufttemperatur niedrig ist. Deshalb ist es in dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß dieser Ausführungsform möglich, eine Verringerung der Abgabetemperatur T6 des Kathodenabgases, das von der Turbine 80 abgegeben wird, abzuschwächen, um eine Verringerung in der Temperatur der Turbine abzuschwächen und um ein Einfrieren der Turbine 80 durch ein Durchführen einer Gefriervermeidungssteuerung zu verhindern, die später beschrieben wird.
A-2. Gefriervermeidungssteuerung: 6 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf einer Gefriervermeidungssteuerung darstellt. Die Gefriervermeidungssteuerung wird wiederholt durchgeführt, nachdem ein Startschalter beziehungsweise Anlassschalter (nicht gezeigt) eines Fahrzeugs, der mit der Brennstoffzelle montiert ist, gedrückt wurde und das Brennstoffzellensystem 10 gestartet wurde. Die Gefriervermeidungssteuerung kann zur gleichen Zeit durchgeführt werden, wie ein Starten des Brennstoffzellensystems 10 oder kann zu einer beliebigen anderen Zeit durchgeführt werden.
Die Steuereinheit 90 führt einen Gefrierbestimmungsprozess (Schritt S300) durch. Der Gefrierbestimmungsprozess bezieht sich auf einen Prozess eines Bestimmens, ob es eine Wahrscheinlichkeit gibt, dass die Turbine 80 einfrieren wird.
7 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf des Gefrierbestimmungsprozesses darstellt. Die Steuereinheit 90 erlangt eine Außenlufttemperatur T0, die durch den Luftfiltertemperatursensor 44 gemessen wird (Schritt S310). Die Steuereinheit 90 bestimmt, ob die erlangte Außentemperatur T0 geringer als eine vorbestimmte Schwellentemperatur Tmin ist (Schritt S320). Die Schwellentemperatur Tmin bezieht sich auf eine Temperatur, die mit der Abgabetemperatur T6 korreliert ist, bei der es eine Wahrscheinlichkeit eines Einfrierens der Turbine 80 gibt, und ist vorab in der Hauptspeichervorrichtung der Steuereinheit 90 gespeichert. In dieser Ausführungsform ist die Schwellentemperatur Tmin auf 5°C eingestellt, kann aber auf eine beliebige andere Temperatur eingestellt werden, die mit der AbgabetemperaturT6 korreliert ist, bei der es eine Wahrscheinlichkeit eines Einfrierens der Turbine 80 gibt.
Wenn es in Schritt S320 bestimmt ist, dass die Außenlufttemperatur T0 nicht geringer als die Schwellentemperatur Tmin ist (NEIN in Schritt S320), bestimmt die Steuereinheit 90, dass es keine Wahrscheinlichkeit eines Einfrierens gibt (Schritt S350), beendet den Gefrierbestimmungsprozess und kehrt zu der Gefriervermeidungssteuerung zurück, wie in 6 dargestellt ist.
Andererseits, wenn es bestimmt ist, in Schritt S320, der in 7 dargestellt ist, dass die Außenlufttemperatur T0 geringer als die Schwellentemperatur Tmin ist (JA in Schritt S320), bestimmt die Steuereinheit 90, dass das Brennstoffzellensystem 10 gerade gestartet wurde (Schritt S330). Insbesondere bestimmt die Steuereinheit 90, ob X Sekunden nicht verstrichen sind, nachdem das Brennstoffzellensystem 10 gestartet wurde. X Sekunden wird vorab bestimmt und in der Hauptspeichervorrichtung der Steuereinheit 90 gespeichert. In dieser Ausführungsform ist X Sekunden auf 60 Sekunden eingestellt, kann jedoch auf einen beliebigen anderen Wert eingestellt sein, der anzeigt, dass das Brennstoffzellensystem 10 gerade gestartet wurde.
Wenn das Brennstoffzellensystem 10 gerade gestartet wurde, wird die Temperatur der Brennstoffzelle 15 deshalb nicht höher und dementsprechend ist die Temperatur des Kathodenabgases, das von der Brennstoffzelle 15 abgegeben wird, gering.
Entsprechend, wenn das Brennstoffzellensystem 10 gerade gestartet wurde, gibt es eine relativ hohe Wahrscheinlichkeit eines Einfrierens der Turbine 80.
Wenn es in Schritt S330 bestimmt ist, dass das Brennstoffzellensystem 10 nicht gerade gestartet wurde (NEIN in Schritt S330), bestimmt die Steuereinheit 90, dass es keine Wahrscheinlichkeit eines Frierens gibt (Schritt S350), beendet den Gefrierbestimmungsprozess und kehrt zu der Gefriervermeidungssteuerung zurück, die in 6 dargestellt ist.
Andererseits, wenn es in Schritt S330 bestimmt wird, der in 7 dargestellt ist, dass das Brennstoffzellensystem 10 gerade gestartet wurde (JA in Schritt S330), bestimmt die Steuereinheit 90, dass es eine Wahrscheinlichkeit eines Frierens gibt (Schritt S340), beendet den Gefrierbestimmungsprozess und kehrt zu der Gefriervermeidungssteuerung zurück, die in 6 dargestellt ist.
In der Gefriervermeidungssteuerung, die in 6 dargestellt ist, wird es erfasst, ob es bestimmt wurde, dass es eine Wahrscheinlichkeit eines Frierens gibt, als ein Ergebnis des Gefrierbestimmungsprozesses von Schritt S300 (Schritt S210). Wenn es in Schritt S210 erfasst ist, dass es keine Wahrscheinlichkeit eines Frierens gibt (NEIN in Schritt S210), kehrt die Steuereinheit 90 zu Schritt S300 zurück.
Andererseits, wenn es in Schritt S210 erfasst ist, dass es eine Wahrscheinlichkeit eines Frierens gibt (JA in Schritt S210), erhöht die Steuereinheit 90 des Öffnungsgrad des Änderungsmechanismus 85, das heißt den Öffnungsgrad eines Strömungsdurchgangs für das Kathodenabgas, das durch die Turbine 80 tritt (Schritt S220). Genauer gesagt dreht die Steuereinheit 90 die variablen Flügel 87, um den Öffnungsgrad zu erhöhen, durch ein Ausgeben eines Steuerbefehls an den Änderungsmechanismusantriebsmotor 86. Ein Erhöhen des Öffnungsgrads bedeutet, dass der Öffnungsgrad im Vergleich mit jenem erhöht wird, der vor Schritt S220 durchgeführt wurde. In dieser Ausführungsform wird der Öffnungsgrad um 30% erhöht, kann jedoch um einem beliebigen anderen Öffnungsgrad erhöht werden, wie zum Beispiel um 10% oder um 20%. Ein relativ großer Öffnungsgrad, bei dem es eine geringe Wahrscheinlichkeit eines Frierens beziehungsweise Einfrierens der Turbine 80 gibt, bei dem das Expansionsverhältnis des Kathodenabgases, das durch die Turbine 80 tritt, relativ niedrig ist und die Verringerung in einer Temperatur des Kathodenabgases relativ klein ist, kann vorab eingestellt werden und der Öffnungsgrad des Änderungsmechanismus 85 kann erhöht werden, um größer als solch ein Öffnungsgrad zu sein.
Wenn der Öffnungsgrad erhöht wird, erhöht sich eine Durchgangsquerschnittsfläche und der Druckverlust des Kathodenabgases sinkt und dementsprechend verringert sich das Expansionsverhältnis (P4/P6). Entsprechend wird eine Expansion des Kathodenabgases, das von der Turbine 80 abgegeben wird, abgeschwächt, wird die Verringerung der Abgabetemperatur T6 abgeschwächt, wird die Verringerung einer Temperatur der Turbine 80 abgeschwächt und wird ein Frieren der Turbine 80 verhindert. Nachdem Schritt S220 durchgeführt wurde, kehrt die Steuereinheit 90 zu Schritt S300 zurück.
In dieser Ausführungsform kann die Außenlufttemperatur T0 erachtet werden, ein untergeordnetes Konzept der Korrelationstemperatur in der ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG zu sein, und ein untergeordnetes Konzept der Temperatur des Kathodengases, das noch nicht in den Kompressor eingeleitet wurde.
In dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß dieser Ausführungsform wird der Öffnungsgrad erhöht, wenn die Außenlufttemperatur T0 geringer als die Schwellentemperatur Tmin ist und das Brennstoffzellensystem 10 gerade gestartet wurde. Entsprechend, da das Expansionsverhältnis P4/P6 des Kathodenabgases verringert werden kann, ist es möglich, eine Expansion des Kathodenabgases, das von der Turbine 80 abgegeben wird, abzuschwächen und eine Verringerung der Abgabetemperatur T6 abzuschwächen. Entsprechend ist es möglich, eine Verringerung in einer Temperatur der Turbine 80 abzuschwächen und ein Frieren bzw. Einfrieren der Turbine 80 zu verhindern.
Ein Frieren der Turbine 80 tritt wahrscheinlich insbesondere in einer kalten Region auf, in der die Außenlufttemperatur T0 gering ist. In dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß dieser Ausführungsform, da der Gefrierbestimmungsprozess basierend auf der Außenlufttemperatur T0 durchgeführt wird, ist es möglich, ein Niedertemperaturumfeld akkurat zu erfassen, in dem die Turbine 80 wahrscheinlich gefriert.
Es wird bestimmt, dass es eine Wahrscheinlichkeit eines Frierens der Turbine 80 gibt, wenn das Brennstoffzellensystem 10 gerade gestartet wurde, und es wird bestimmt, dass es keine Wahrscheinlichkeit eines Frierens der Turbine 80 gibt, wenn das Brennstoffzellensystem 10 nicht gerade gestartet wurde. Entsprechend, wenn eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, nachdem das Brennstoffzellensystem 10 gestartet wurde, die Temperatur der Brennstoffzelle 15 steigt, die Temperatur des Kathodenabgases steigt und es eine geringe Wahrscheinlichkeit eines Frierens der Turbine 80 gibt, ist es möglich, einen übermäßigen Anstieg des Öffnungsgrads aufgrund einer Bestimmung abzuschwächen beziehungsweise einzudämmen, dass es eine Wahrscheinlichkeit eines Frierens gibt, und eine Verringerung der Energiemenge abzuschwächen, die von dem Kathodenabgas wiedererlangt wird.
Zweite Ausführungsform:
8 ist ein Diagramm, das schematisch eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystem 10a gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt. Das Brennstoffzellensystem 10a gemäß der zweiten Ausführungsform ist von dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der ersten Ausführungsform in einem Turbineneinlasstemperatursensor 75a verschieden, der zusätzlich vorgesehen und eine spezifische Einrichtung des Gefrierbestimmungsprozesses ist. Die andere Konfiguration ist die gleiche wie in dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der ersten Ausführungsform, und daher werden die gleichen Elemente und die gleichen Schritte durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und eine detaillierte Beschreibung davon wird weggelassen.
Der Turbineneinlasstemperatursensor 75a ist zwischen dem Druckregulierventil 72 und der Turbine 80 in dem Kathodengasabgabedurchgang 71 eines Kathodengasabgabesystems 70a angeordnet. Der Turbineneinlasstemperatursensor 75a erfasst eine Temperatur T4 eines Kathodenabgases, das in die Turbine 80 eingeleitet wird (hiernach auch als eine „Einlasstemperatur T4“ bezeichnet). Das Ergebnis einer Erfassung von dem Turbineneinlasstemperatursensor 75a wird an die Steuereinheit 90 übertragen.
9 stellt ein Flussdiagramm dar, das einen Ablauf einer Gefriervermeidungssteuerung gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt. Zuerst wird ein Gefrierbestimmungsprozess durchgeführt (Schritt S500).
10 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf des Gefrierbestimmungsprozesses gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt. Die Steuereinheit 90 erlangt die Einlasstemperatur T4, die durch den Turbineneinlasstemperatursensor 75a erfasst ist (Schritt S510). Die Steuereinheit 90 schätzt die Abgabetemperatur T6 des Turbinenabgases, das von der Turbine 80 abgegeben wird, wenn die vorangehend genannte normale Steuerung durchgeführt wird, basierend auf der erlangten Einlasstemperatur T4 und einem Turbinenkennfeld, das eine Turbineneffizienz ηt anzeigt (Schritt S520).
Die Turbineneffizienz ηt wird als ein Verhältnis von Leistung Lt an dem Auslass der Turbine 80 zu einer Leistung (Lt)ad in einer adiabatischen Änderung an dem Einlass der Turbine 80 berechnet, wie durch Gleichung (1) ausgedrückt ist. $η t = Lt/ (Lt (ad)$
Die Leistung (Lt)ad in der adiabatischen Änderung an dem Einlass der Turbine 80 wird durch Gleichung (2) berechnet und die Leistung Lt an dem Auslass der Turbine 80 wird durch Gleichung (3) berechnet. $(Lt) ad = Cpg \times G4 \times T4 {1 - \frac{1}{(P4/P6) \frac{K - 1}{K}}}$
$Lt = Cpg \times G4 (T 4 - T 6)$
Im vorliegenden Fall bezeichnet Cpg eine spezifische Wärme und bezeichnet k ein Verhältnis von spezifischer Wärme (Cp/Cv). Cp bezeichnet eine spezifische Wärme bei einem konstanten Druck und Cv bezeichnet eine spezifische Wärme bei einem konstanten Volumen. Gleichung (2) kann mit Gleichung (5) durch ein Anwenden von Gleichung (4) ersetzt werden. $A = \frac{1}{(P4/P6) \frac{K - 1}{K}}$
$(Lt) ad = Cpg \times G4 \times T4 (1 - A)$
Entsprechend wird Gleichung (6), die die Abgabetemperatur T6 repräsentiert, aus Gleichungen (1), (3) und (5) erlangt. $T6 = T4 - T4 \times ητ \times (1 - A)$
11 und 12 sind Diagramme, die ein Beispiel eines Turbinenkennfelds darstellen, das eine Turbineneffizienz ηt anzeigt. 11 stellt einen Fall dar, in dem der Öffnungsgrad relativ groß ist (ein großer Öffnungsgrad), und 12 stellt einen Fall dar, in dem der Öffnungsgrad relativ klein ist (ein kleiner Öffnungsgrad). In 11 und 12 repräsentiert die vertikale Achse die Turbineneffizienz ηt und repräsentiert die horizontale Achse das Expansionsverhältnis P4/P6. In 11 und 12 sind zum Zwecke einer Einfachheit einer Erläuterung vier Kurven dargestellt, die Drehzahlen des Turbinenrads 82 entsprechen, und andere Kurven mit anderen Drehzahlen sind nicht dargestellt. Eine Drehzahl wird durch ein Verhältnis einer Ist-Drehzahl ausgedrückt, wenn eine maximale Drehzahl auf 100% eingestellt ist. Die Hauptspeichervorrichtung der Steuereinheit 90 speichert eine Vielzahl von Turbinenkennfeldern mit unterschiedlichen Öffnungsgraden zusätzlich zu den Turbinenkennfeldern, die in 11 und 12 dargestellt sind.
In der vorangehend erwähnten normalen Steuerung ist das Expansionsverhältnis P4/P6 als ein Sollexpansionsverhältnis eingestellt und der Öffnungsgrad wird aus dem Turbinenkennfeld heraus bestimmt, das in 5 dargestellt ist. Die Steuereinheit 90 kann die Turbineneffizienz ηt basierend auf der Drehzahl des Turbinenrads 82 und dem Expansionsverhältnis P4/P6 mit Bezug auf das Turbinenkennfeld berechnen, das die Turbineneffizienz ηt darstellt, gemäß dem Öffnungsgrad, wenn die normale Steuerung durchgeführt wird.
In Schritt S520, der in 10 dargestellt ist, schätzt die Steuereinheit 90 die Abgabetemperatur T6 durch ein Anwenden des Expansionsverhältnisses P4/P6 und der Turbineneffizienz ηt, wenn die normale Steuerung durchgeführt wird, auf Gleichung (6), die die Abgabetemperatur T6 repräsentiert.
Die Steuereinheit 90 erlangt die geschätzte Abgabetemperatur T6 und bestimmt, ob die geschätzte Abgabetemperatur T6 geringer als eine vorbestimmte Schwellentemperatur Tmin ist (Schritt S530). Die Schwellentemperatur Tmin ist zum Beispiel auf 5°C eingestellt.
Wenn es in Schritt S530 bestimmt wird, dass die geschätzte Abgabetemperatur T6 nicht geringer als die Schwellentemperatur Tmin ist (NEIN in Schritt S530), bestimmt die Steuereinheit 90, dass es keine Wahrscheinlichkeit eines Frierens gibt (Schritt S550), beendet den Gefrierbestimmungsprozess und kehrt zu der Gefriervermeidungssteuerung zurück, die in 9 dargestellt ist.
Andererseits, wenn es in Schritt S530, der in 10 dargestellt ist, bestimmt wird, dass die geschätzte Abgabetemperatur T6 geringer als die Schwellentemperatur Tmin ist (JA in Schritt S530), bestimmt die Steuereinheit 90, dass es eine Wahrscheinlichkeit eines Frierens gibt (Schritt S540), beendet den Gefrierbestimmungsprozess und kehrt zu der Gefriervermeidungssteuerung zurück, die in 9 dargestellt ist.
In der Gefriervermeidungssteuerung, die in 9 dargestellt ist, wird als das Ergebnis des Gefrierbestimmungsprozesses von Schritt S500 erfasst, ob es bestimmt ist, dass es eine Wahrscheinlichkeit eines Frierens gibt (Schritt S410). Wenn es in Schritt S410 erfasst ist, dass es keine Wahrscheinlichkeit eines Frierens gibt (NEIN in Schritt S410), kehrt die Steuereinheit 90 zu Schritt S500 zurück.
Andererseits, wenn es in Schritt S410 erfasst wird, dass es eine Wahrscheinlichkeit eines Frierens bzw. Einfrierens gibt (JA in Schritt S410), berechnet die Steuereinheit 90 den Öffnungsgrad, bei dem die Abgabetemperatur T6 gleich der Schwellentemperatur Tmin ist (Schritt S420). Genauer gesagt wendet die Steuereinheit 90 die Schwellentemperatur Tmin als die Abgabetemperatur T6 in Gleichung (6) an, wendet die Turbineneffizienz ηt an, wenn die normale Steuerung durchgeführt wird, und berechnet das Expansionsverhältnis P4/P6. Dann berechnet die Steuereinheit 90 den Öffnungsgrad basierend auf dem berechneten Expansionsverhältnis P4/P6 und der Strömungsrate G4 des Kathodenabgases mit Bezug auf das Turbinenkennfeld, das in 5 dargestellt ist.
Die Steuereinheit 90 gibt einen Steuerbefehl aus, um den Öffnungsgrad des Änderungsmechanismus 85 auf den Öffnungsgrad einzustellen, der in Schritt S420 berechnet ist, an den Änderungsmechanismusantriebsmotor 86 (Schritt S430). Entsprechend wird der Öffnungsgrad des Änderungsmechanismus 85 erhöht (Schritt S440) und die Steuereinheit kehrt zu Schritt S500 zurück. Da die Abgabetemperatur T6 mit einem Anstieg in dem Öffnungsgrad steigt und gleich der Schwellentemperatur Tmin wird, wird eine Verringerung der Abgabetemperatur T6 abgeschwächt, wird die Verringerung der Temperatur der Turbine 80 abgeschwächt und wird ein Frieren beziehungsweise Einfrieren der Turbine 80 verhindert.
In dieser Ausführungsform kann der Turbineneinlasstemperatursensor 75a als ein untergeordnetes Konzept des Temperatursensors erachtet werden, der die Temperatur des Kathodenabgases erfasst, das von der Brennstoffzelle abgegeben wurde und noch nicht in die Turbine eingeleitet wurde in der ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG, kann die Einlasstemperatur T4 als ein untergeordnetes Konzept der Temperatur des Kathodenabgases erachtet werden, das von der Brennstoffzelle abgegeben wurde und noch nicht in die Turbine eingeleitet wurde in der ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG und kann die geschätzte Abgabetemperatur T6 als ein untergeordnetes Konzept der Korrelationstemperatur erachtet werden in der ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG.
Die vorangehend genannte Gefriervermeidungssteuerung gemäß der zweiten Ausführungsform erreicht die gleichen vorteilhaften Effekte wie die Gefriervermeidungssteuerung gemäß der ersten Ausführungsform. Da die Abgabetemperatur T6 geschätzt wird, ist es möglich, den Öffnungsgrad unter Verwendung einer Temperatur mit einer hohen Korrelation zu der Ist-Abgabetemperatur beziehungsweise tatsächlichen Abgabetemperatur T6 zu steuern. Da die Abgabetemperatur T6 basierend auf der Einlasstemperatur T4 der Turbine geschätzt wird, die sich an einer Position befindet, die physikalisch dem Auslass der Turbine nahe ist, ist es möglich, eine Verringerung in einer Schätzgenauigkeit der Abgabetemperatur T6 abzuschwächen und eine Verringerung in einer Bestimmungsgenauigkeit des Gefrierbestimmungsprozesses abzuschwächen.
Die Steuereinheit 90 berechnet den Öffnungsgrad, bei dem die Abgabetemperatur T6 gleich der Schwellentemperatur Tmin ist und erhöht den Öffnungsgrad des Änderungsmechanismus 85, so dass er gleich dem berechneten Öffnungsgrad wird. Entsprechend, da ein übermäßiger Anstieg in dem Öffnungsgrad abgeschwächt werden kann, ist es möglich, eine Verringerung in dem Betrag einer Energie, die von dem Kathodenabgas wiedergewonnen wird, aufgrund einer übermäßigen Verringerung in dem Expansionsverhältnis P4/P6 abzuschwächen.
Modifiziertes Beispiel
C-1. Erstes modifiziertes Beispiel: In den vorangehend genannten Ausführungsformen wird der Öffnungsgrad erhöht, wenn es bestimmt ist, dass es eine Wahrscheinlichkeit eines Frierens gibt (JA in Schritten S210 und S410), jedoch ist die Erfindung nicht darauf begrenzt. Zum Beispiel, wenn es bestimmt ist, dass es eine Wahrscheinlichkeit eines Frierens gibt (JA in Schritten S210 und S410), kann eine Steuerung derart durchgeführt werden, dass der Öffnungsgrad nicht gleich wie oder geringer als ein vorbestimmter Öffnungsgrad ist. Der vorbestimmte Öffnungsgrad kann vorab als ein relativ großer Öffnungsgrad eingestellt sein, bei dem es eine geringe Wahrscheinlichkeit eines Frierens der Turbine 80 gibt. Mit anderen Worten kann ein Öffnungsgrad, bei dem das Expansionsverhältnis des Kathodenabgases, das durch die Turbine 80 tritt, relativ klein ist und die Verringerung einer Temperatur des Kathodenabgases relativ klein ist, vorab als der vorbestimmte Öffnungsgrad eingestellt werden. Mit dieser Konfiguration können die gleichen vorteilhaften Effekte wie jene in dem Brennstoffzellensystem 10 und 10a gemäß der vorangehend beschriebenen Ausführungsform erreicht werden. Wenn ein vorliegender Öffnungsgrad größer als der vorbestimmte Öffnungsgrad ist, kann der Öffnungsgrad innerhalb eines Bereichs verringert werden, in dem der Öffnungsgrad nicht gleich wie oder geringer als der vorbestimmte Öffnungsgrad ist, und dementsprechend ist es möglich, ein Frieren der Turbine 80 zu verhindern und eine Verringerung in dem Betrag einer Energie, die von dem Kathodenabgas wiedergewonnen wird, abzuschwächen. Zum Beispiel, wenn es bestimmt ist, dass es eine Wahrscheinlichkeit eines Frierens gibt (JA in Schritten S210 und S410), kann der Öffnungsgrad beibehalten werden. Ein Beibehalten des Öffnungsgrads bedeutet, dass der Öffnungsgrad nicht geändert wird nach der Bestimmung von Schritten S210 und S410. Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, eine Verringerung in dem Energiebetrag, der von dem Kathodenabgas wiedergewonnen wird, aufgrund eines übermäßigen Anstiegs des Öffnungsgrads abzuschwächen. Das heißt, im Allgemeinen kann eine Gefriervermeidungssteuerung eines Nicht-Einstellens des Öffnungsgrads, um gleich wie oder geringer als der vorbestimmte Öffnungsgrad zu sein, durchgeführt werden, wenn die Korrelationstemperatur geringer als die vorbestimmte Schwellentemperatur Tmin ist, bei der es eine Wahrscheinlichkeit eines Frierens der Turbine 80 gibt. Mit dieser Konfiguration können die gleichen vorteilhaften Effekte wie jene in dem Brennstoffzellensystem 10 und 10a gemäß den vorangehend genannten Ausführungsformen ebenfalls erreicht werden.
C-2. Zweites modifiziertes Beispiel: In der Gefriervermeidungs- beziehungsweise -verhinderungssteuerung gemäß der zweiten Ausführungsform muss der Öffnungsgrad, bei dem die Abgabetemperatur T6 gleich der Schwellentemperatur Tmin ist, nicht erfasst werden und der Öffnungsgrad kann einheitlich beziehungsweise uniform erhöht werden. Mit anderen Worten kann in der zweiten Ausführungsform die gleiche Gefriervermeidungssteuerung wie in der ersten Ausführungsform durchgeführt werden. In dieser Konfiguration oder der Gefriervermeidungssteuerung der ersten Ausführungsform kann der Öffnungsgrad stufenweise erhöht werden in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der Außenlufttemperatur T0 oder der geschätzten Abgabetemperatur T6 und der Schwellentemperatur Tmin. Zum Beispiel kann der Öffnungsgrad um 20% erhöht werden, wenn die Differenz zwischen der Außenlufttemperatur T0 oder der geschätzten Abgabetemperatur T6 und der Schwellentemperatur Tmin kleiner als 5°C ist, und kann der Öffnungsgrad um 30% erhöht werden, wenn die Differenz gleich wie oder größer als 5°C ist. Mit dieser Konfiguration können die gleichen vorteilhaften Effekte wie jene in den Brennstoffzellensystemen 10 und 10a gemäß den vorangehend genannten Ausführungsformen ebenfalls erreicht werden.
C-3. Drittes modifiziertes Beispiel: In dem Gefrierbestimmungsprozess gemäß der ersten Ausführungsform kann Schritt S330 übersprungen werden. Das heißt, der Gefrierbestimmungsprozess kann durchgeführt werden ungeachtet dessen, ob das Brennstoffzellensystem 10 gerade gestartet wurde. Eine Konfiguration, in der die Außenlufttemperatur T0 über das Internet erlangt werden kann, kann anstelle der Konfiguration eingesetzt werden, in der die Außenlufttemperatur durch den Luftfiltertemperatursensor 44 erfasst wird. Der Gefrierbestimmungsprozess kann unter Verwendung einer Temperatur des Kathodengases durchgeführt werden, das noch nicht in den Kompressor 60 eingeleitet wurde und die durch einen anderen Temperatursensor gemessen ist, der in dem stromaufwärtigen Zuführdurchgang 41 angeordnet ist, anstelle der Außenlufttemperatur T0. Mit dieser Konfiguration können die gleichen vorteilhaften Effekte wie jene in dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der ersten Ausführungsform erreicht werden.
C-4. Viertes modifiziertes Beispiel: In der ersten Ausführungsform kann der Gefrierbestimmungsprozess unter Verwendung der Einlasstemperatur T4 der Turbine durchgeführt werden, die von dem Turbineneinlasstemperatursensor 75a erfasst wird, der in dem Brennstoffzellensystem 10a gemäß der zweiten Ausführungsform angeordnet ist. In diesem Beispiel, da die Einlasstemperatur T4 der Turbine angenommen wird, um höher als die Außenlufttemperatur T0 zu sein, aufgrund des Kathodengases, das durch den Kompressor 60 und die Brennstoffzelle 15 tritt, kann die Schwellentemperatur Tmin auf einen höheren Wert eingestellt werden. Zum Beispiel kann die Schwellentemperatur Tmin auf 10°C eingestellt sein. Mit dieser Konfiguration können die gleichen vorteilhaften Effekte wie jene in dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der ersten Ausführungsform ebenfalls erreicht werden.
C-5. Fünftes modifiziertes Beispiel: In der Gefriervermeidungssteuerung gemäß den vorangehend genannten Ausführungsformen wird der Gefrierbestimmungsprozess in Übereinstimmung mit den Flussdiagrammen durchgeführt, die in 7 und 10 dargestellt sind, jedoch kann die Gefriervermeidungssteuerung unter Verwendung eines Kennfelds durchgeführt werden, das vorab in der Hauptspeichervorrichtung der Steuereinheit 90 gespeichert ist. Zum Beispiel kann anstelle des Gefrierbestimmungsprozesses der Öffnungsgrad eingestellt werden, um größer als ein unterer Grenzwert zu sein, durch ein Speichern von zumindest dem unteren Grenzwert des Öffnungsgrads und der Korrelationstemperatur als ein Kennfeld, das eine Korrelation anzeigt, in der ein Frieren der Turbine 80 vermieden werden kann, vorab, einem Anwenden der erlangten Korrelationstemperatur auf das Kennfeld und ein Bezugnehmen auf das Kennfeld. In den vorangehend genannten Ausführungsformen wird das Turbinenkennfeld, das in 5 dargestellt ist, zum Bestimmen des Öffnungsgrads in der normalen Steuerung verwendet, jedoch kann der Öffnungsgrad unter Verwendung eines Relativausdrucks bestimmt werden, der eine Beziehung zwischen der Strömungsrate G4 des Kathodenabgases, dem Expansionsverhältnis P4/P6 und dem Öffnungsgrad anzeigt, anstelle des Turbinenkennfelds. Bei einem Berechnen der Turbineneffizienz ηt in der zweiten Ausführungsform kann ein Turbinenkennfeld, in dem die Einlasstemperatur T4 ferner reflektiert wird, verwendet werden oder ein Korrekturkoeffizient basierend auf der Einlasstemperatur T4 kann darauf angewendet werden. Mit dieser Konfiguration können die gleichen vorteilhaften Effekte wie jene in den Brennstoffzellensystemen 10 und 10a gemäß den vorangehend genannten Ausführungsformen ebenfalls erreicht werden.
C-6. Sechstes modifiziertes Beispiel: Die Systemkonfiguration des Brennstoffzellensystem 10a gemäß der zweiten Ausführungsform ist lediglich ein Beispiel und kann in verschiedenen Formen modifiziert werden. Zum Beispiel kann die Temperatur des Kathodenabgases, das von der Brennstoffzelle 15 abgegeben wurde und noch nicht in die Turbine 80 eingeleitet wurde, anstelle der Einlasstemperatur T4 verwendet werden, die durch den Turbineneinlasstemperatursensor 75a gemessen wird. In dieser Konfiguration kann die Temperatur des Kathodenabgases zum Beispiel durch einen anderen Temperatursensor gemessen werden, der in dem Auslass der Brennstoffzelle 15 oder dergleichen angeordnet ist. Zum Beispiel kann ein Drucksensor, der den Einlassdruck P4 der Turbine 80 misst, oder ein Drucksensor, der den Auslassdruck P6 der Turbine 80 misst, zusätzlich vorgesehen sein und das Expansionsverhältnis P4/P6 kann basierend auf einem Wert berechnet werden, der durch den Drucksensor gemessen wird. Zum Beispiel können durch ein zusätzliches Vorsehen des Temperatursensors, der die Abgabetemperatur T6 misst, Schritte S510 und S520 übersprungen werden und der Gefrierbestimmungsprozess kann durchgeführt werden basierend auf der Abgabetemperatur T6, die von dem Temperatursensor gemessen wird. Mit dieser Konfiguration können die gleichen vorteilhaften Effekte wie jene in dem Brennstoffzellensystem 10a gemäß der zweiten Ausführungsform ebenfalls erreicht werden.
C-7. Siebtes modifiziertes Beispiel: In dem Gefrierbestimmungsprozess gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform hat der Änderungsmechanismus 85 eine sogenannte variable Düsenkonfiguration, jedoch ist die Erfindung nicht darauf begrenzt. Der Änderungsmechanismus 85 kann eine beliebige andere Konfiguration haben, in der der Öffnungsgrad des Strömungsdurchgangs für das Kathodenabgas, das durch die Turbine 80 tritt, geändert werden kann, um die Druckdifferenz zwischen dem stromaufwärtigen Druck und dem stromabwärtigen Druck der Turbine 80 einzustellen, wie zum Beispiel eine mobile Klappenart oder eine variable Düsenbreitenart. Mit dieser Konfiguration können die gleichen vorteilhaften Effekte wie jene in den Brennstoffzellensystemen 10 und 10a gemäß den vorangehend genannten Ausführungsformen ebenfalls erreicht werden.
C-8. Achtes modifiziertes Beispiel: In den vorangehend genannten Ausführungsformen ist die Turbine 80 mit dem Kompressor 60 über den Motor 62 verbunden und ein Antreiben des Motors 62 wird durch die Energie unterstützt, die aus dem Kathodenabgas zurückgewonnen wird, jedoch kann die Energie des Kathodenabgases als eine Leistung der Turbine 80 zurückgewonnen werden und ein Antrieben des Motors 62 kann durch eine elektrische Leistung unterstützt werden, die durch ein Drehen eines anderen Motors mit der zurückgewonnenen Leistung erzeugt wird. Das heißt, im Allgemeinen kann die Turbine 80 zumindest einen Teil der Energie des Kathodenabgases unter Verwendung der Druckdifferenz zwischen dem stromaufwärtigen Druck und dem stromabwärtigen Druck der Turbine 80 zurückgewinnen und kann ein Antreiben des Motors 62 unter Verwendung der zurückgewonnenen Energie unterstützen. In der vorangehend genannten Ausführungsform sind die Brennstoffzellensysteme 10 und 10a montiert und in einem Brennstoffzellenfahrzeug verwendet, jedoch können sie in einem beliebigen anderen bewegten Objekt montiert sein oder für eine stationäre Brennstoffzelle verwendet werden.
Die Erfindung ist nicht auf die vorangehend genannten Ausführungsformen begrenzt und kann in verschiedenen Konfigurationen verkörpert sein, ohne von ihrem Schutzumfang abzuweichen. Zum Beispiel können technische Merkmale in den Ausführungsformen, die technischen Merkmalen in den Aspekten entsprechen, die in der ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG beschrieben sind, geeignet einem Ersatz oder einer Kombination unterzogen werden, um einige oder alle von den vorangehend genannten Problemen zu lösen oder um einige oder alle von den vorangehend genannten vorteilhaften Effekten zu erreichen. Die technischen Merkmale können geeignet gestrichen werden, solange sie nicht als essentiell in dieser Spezifikation beschrieben sind.
Ein Brennstoffzellensystem weist Folgendes auf: eine Turbine (80) mit einem Änderungsmechanismus (85), der eine Druckdifferenz zwischen einem stromaufwärtigen Druck und einem stromabwärtigen Druck der Turbine (80) einstellt, wobei die Turbine (80) zumindest einen Teil einer Energie des Kathodenabgases unter Verwendung der Druckdifferenz wiedererlangt und ein Antreiben des Motors (62) mit der wiedererlangten Energie unterstützt; und eine Steuereinheit (90), die gestaltet ist, um den Änderungsmechanismus (85) anzutreiben, um die wiedererlangte Energie zu erhöhen oder zu verringern. Die Steuereinheit (90) erlangt eine Korrelationstemperatur, die mit einer Temperatur des Kathodenabgases korreliert ist, das von der Turbine (80) abgegeben wird, und führt eine Gefriervermeidungssteuerung eines Nicht-Einstellens des Öffnungsgrads, um gleich wie oder geringer als ein vorbestimmter Öffnungsgrad zu sein, durch, wenn die korrelierte Temperatur geringer als eine vorbestimmte Schwellentemperatur ist, bei der die Turbine (80) gefrieren kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012221657 [0002]
JP 2012221657 A [0002, 0003]

Claims

Brennstoffzellensystem, das Folgendes aufweist: eine Brennstoffzelle (15); einen Kompressor (60), der ein Kathodengas zu der Brennstoffzelle (15) zuführt; einen Motor (62), der den Kompressor (60) antreibt; einen Kathodengasabgabedurchgang (71), in den ein Kathodenabgas strömt, das von der Brennstoffzelle (15) abgegeben wird; eine Turbine (80), die in dem Kathodengasabgabedurchgang (71) angeordnet ist und durch das Kathodenabgas angetrieben wird, wobei die Turbine (80) einen Änderungsmechanismus (85) aufweist, der einen Öffnungsgrad eines Strömungsdurchgangs für das Kathodenabgas ändert, das durch die Turbine (80) tritt, um eine Druckdifferenz zwischen einem stromaufwärtigen Druck und einem stromabwärtigen Druck der Turbine (80) einzustellen, wobei die Turbine (80) zumindest einen Teil von Energie des Kathodenabgases unter Verwendung der Druckdifferenz wiedererlangt und ein Antreiben des Motors (62) mit der wiedererlangten Energie unterstützt; und eine Steuereinheit (90), die gestaltet ist, um den Änderungsmechanismus (85) anzutreiben, um die wiedererlangte Energie zu erhöhen oder zu verringern, wobei die Steuereinheit (90) gestaltet ist, um eine Korrelationstemperatur zu erlangen, die mit einer ersten Temperatur des Kathodenabgases korreliert ist, das von der Turbine (80) abgegeben wird, und um eine Gefriervermeidungssteuerung eines Nicht-Einstellens des Öffnungsgrads durchzuführen, um gleich wie oder geringer als ein vorbestimmter Öffnungsgrad zu sein, wenn die Korrelationstemperatur geringer als eine vorbestimmte Schwellentemperatur ist, bei der die Turbine (80) gefrieren kann.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (90) gestaltet ist, um als die Gefriervermeidungssteuerung den Öffnungsgrad zu erhöhen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinheit (90) gestaltet ist, um eine zweite Temperatur des Kathodengases als die Korrelationstemperatur zu erlangen, das noch nicht in den Kompressor (60) eingeleitet wurde.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei die Steuereinheit (90) gestaltet ist, um die Gefriervermeidungssteuerung durchzuführen, wenn die Korrelationstemperatur geringer als die Schwellentemperatur ist und eine vorbestimmte Zeit nicht verstrichen ist, nachdem das Brennstoffzellensystem gestartet wurde.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit einem Temperatursensor (75a) der eine dritte Temperatur des Kathodenabgases erfasst, das von der Brennstoffzelle (15) abgegeben wurde und noch nicht in die Turbine (80) eingeleitet wurde, wobei die Steuereinheit (90) gestaltet ist, um die erste Temperatur basierend auf der erfassten dritten Temperatur des Kathodenabgases zu schätzen und um die geschätzte erste Temperatur als die Korrelationstemperatur anzunehmen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei die Steuereinheit (90) gestaltet ist, um den Öffnungsgrad zu berechnen, bei dem die Korrelationstemperatur gleich der Schwellentemperatur ist, und um den Öffnungsgrad zu steuern, so dass der Öffnungsgrad der berechnete Öffnungsgrad wird, als die Gefriervermeidungssteuerung.
Steuerverfahren für eine Turbine (80), die durch ein Kathodenabgas angetrieben wird, das von einer Brennstoffzelle (15) abgegeben wird, um zumindest einen Teil einer Energie des Kathodenabgases wiederzuerlangen und um ein Antreiben eines Antriebsmotors (62) eines Kompressors (60) zu unterstützen, der das Kathodengas zu der Brennstoffzelle (15) unter Verwendung der wiedererlangten Energie zuführt, wobei das Steuerverfahren Folgendes aufweist: Erlangen einer Korrelationstemperatur, die mit einer ersten Temperatur des Kathodenabgases korreliert ist, das von der Turbine (80) abgegeben wird; und ein Nichteinstellen eines Öffnungsgrads eines Strömungsdurchgangs für das Kathodenabgas, das durch die Turbine (80) tritt, um gleich wie oder geringer als ein vorbestimmter Öffnungsgrad zu sein, wenn die Korrelationstemperatur geringer als eine vorbestimmte Schwellentemperatur ist, bei der die Turbine (80) in der Lage ist, zu gefrieren.