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HINTERGRUND
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Steuerungsverfahren und ein Steuerungssystem für eine Wasserstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems, insbesondere auf ein Verfahren zum Steuern der einer Anode eines Brennstoffzellenfahrzeugs zugeführten Wasserstoffmenge.
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Stand der Technik
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Ein Brennstoffzellenstapel als Hauptkomponente eines Brennstoffzellensystems ist eine Stromerzeugungsvorrichtung, die elektrische Energie durch chemische Reaktion zwischen Luftsauerstoff und von außen zugeführtem Wasserstoff erzeugt. Ein solches Brennstoffzellensystem kann in der Industrie und im Haushalt eingesetzt werden und insbesondere als Energiequelle für die Stromversorgung zum Antreiben eines Fahrzeugs verwendet werden.
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Ein Brennstoffzellensystem, das bei ein Brennstoffzellenfahrzeug eingesetzt wird, umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der elektrische Energie aus einer elektrochemischen Reaktion zwischen Reaktionsgasen erzeugt (z.B. Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel), eine Wasserstoffversorgungsvorrichtung, die dem Brennstoffzellenstapel Wasserstoff als Brennstoff zuführt, eine Luftversorgungsvorrichtung, die dem Brennstoffzellenstapel Luft einschließlich Sauerstoff zuführt, ein Wärme- und Wassermanagementsystem, das die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels anpasst und eine Wassermanagementfunktion ausübt, und eine Brennstoffzellensteuerung, die den Gesamtbetrieb des Brennstoffzellensystems ausführt.
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Bei einem Brennstoffzellensystem umfasst im Allgemeinen eine Wasserstoffversorgungsvorrichtung eine Wasserstoffspeichereinheit (z.B. Wasserstofftank), einen Regler, ein Wasserstoffdruckregelventil, eine Wasserstoffumwälzvorrichtung usw., die Luftversorgungsvorrichtung umfasst ein Luftgebläse, einen Befeuchter usw., und das Wärme- und Wassermanagementsystem umfasst eine Kühlwasserpumpe, einen Wassertank, einen Kühler usw. Im Stapel des Brennstoffzellensystems entsteht durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff Wasser. Wenn sich das erzeugte Wasser im Stapel ansammelt, kann sich die Leistung des Brennstoffzellensystems verschlechtern, da das Wasser im Stapel verbleibt. Um eine Leistungsverschlechterung des Brennstoffzellenstapels zu vermeiden, sind ein Kondensatwasserspeicher und ein Ablassventil zum Entfernen von Kondensatwasser vorgesehen.
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Darüber hinaus geht im Stapel der Stickstoff in einer Kathode durch eine Elektrolytmembran in eine Anode über und verringert so die Wasserstoffkonzentration in der Anode. Dementsprechend wird zur Aufrechterhaltung der Wasserstoffkonzentration in der Anode ein Auslassventil, das als Spülventil bezeichnet wird, auf einer Seite der Kraftstoffrückführungsleitung installiert und das Gas der Anode wird regelmäßig durch das Auslassventil abgesaugt. Wenn Wasserstoff in das Brennstoffzellensystem eingespeist wird, wird die Menge des zugeführten Wasserstoffs durch Druckregelung der Anode eingestellt. Dementsprechend benötigt die Anode zur Druckregelung einen Drucksensor.
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Die Wasserstoffversorgungsvorrichtung umfasst eine Vorrichtung wie einen Injektor oder einen Auswerfer, um dem Brennstoffzellenstapel Wasserstoff zuzuführen. Wenn der Injektor verwendet wird, kann am hinteren Ende des Injektors ein Raum mit dem gleichen Druck wie der Stapel und niedriger Luftfeuchtigkeit eingerichtet werden, und ein Drucksensor kann im Raum installiert werden, um den Druck der Anode zu messen. Im Gegensatz zum Injektor wird in einer Wasserstoffversorgungsvorrichtung, die einen Auswerfer umfasst, rezirkulierter Wasserstoff in den Auswerfer eingeführt und einem Stapel zugeführt, so dass alle Abschnitte mit dem gleichen Druck wie der Stapel einem Gas mit hoher Luftfeuchtigkeit ausgesetzt sind. Der in einer feuchten Umgebung verwendete Drucksensor weist eine komplexe Struktur auf, die in der Lage ist, die feuchte Umgebung der Anode zu erhalten, und die Herstellungskosten des Drucksensors steigen.
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ÜBERBLICK
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Da sich eine Anode in einer feuchten Umgebung befindet, tritt bei niedriger Außentemperatur bei Stillstand eines Brennstoffzellensystems eine Kondensation/ein Gefrieren des Wassers auf. Bei Verwendung eines allgemeinen Sensors kann der Messwert des Drucksensors nachteilig beeinflusst werden und eine Messeinheit kann in schweren Fällen beschädigt werden, was bei Betrieb des Brennstoffzellensystems zu einem Problem bei der Wasserstoffversorgung führt. Dementsprechend bietet die vorliegende Erfindung eine Technologie, die eine effiziente Wasserstoffversorgungssteuerung ermöglicht, ohne zusätzlich einen Drucksensor an einer Anode zu installieren.
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Um das oben genannte Ziel zu erreichen, bietet die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Messen des Drucks einer vorderen Leitung einer Versorgungsleitung mit relativ niedriger Luftfeuchtigkeit und vorzugsweise des Drucks eines vorderen Endes eines Auswerfers ohne den Drucksensor einer Anode, zum Einstellen der zugeführten Wasserstoffmenge unter Verwendung des gemessenen Drucks und zum genaueren Schätzen des Drucks der Anode.
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Bei einem Aspekt kann ein Steuerungsverfahren der Wasserstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems ein Wasserstoffversorgungsventil, eine Wasserstoffsprühvorrichtung, eine Steuerung, die zum Öffnen und Schließen des Wasserstoffversorgungsventils eingerichtet ist, und einen Drucksensor, der zum Messen des Drucks zwischen einem hinteren Ende des Wasserstoffversorgungsventils und einem vorderen Ende der Wasserstoffsprühvorrichtung eingerichtet ist, aufweisen, und das Bestimmen eines Messwertes des Drucksensors in einem Zustand des Sperrens des Wasserstoffversorgungsventils als Schätzwert einer Anode umfassen, sowie das Bestimmen des Solldrucks der Anode anhand der erforderlichen Leistung des Brennstoffzellensystems, das Berechnen einer der Anode zuzuführenden Wasserstoffmenge aus einer Differenz zwischen dem Solldruck der Anode und dem Schätzwert der Anode, und das Einstellen eines Öffnungsgrades des Wasserstoffversorgungsventils anhand der berechneten Wasserstoffmenge und Aktualisieren des Schätzwertes der Anode durch Neuberechnen des Schätzwertes der Anode aus dem Messwert des Drucksensors und einer nach dem Öffnen des Wasserstoffversorgungsventils verstrichenen Zeit.
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In einer beispielhaften Ausführungsform kann bei laufendem Betrieb des Brennstoffzellensystems das Bestimmen des Solldrucks der Anode zur Aktualisierung des geschätzten Druckwerts der Anode wiederholt durchgeführt werden. Darüber hinaus können in der Steuerung Daten über die anhand des Drucks zwischen dem hinteren Ende der Wasserstoffzufuhrvorrichtung und dem vorderen Ende der Wasserstoffsprühvorrichtung der Anode zugeführte Wasserstoffmenge gespeichert werden. Das Einstellen des Öffnungsgrades des Wasserstoffversorgungsventils kann das Einstellen des Öffnungsgrades des Wasserstoffversorgungsventils zum Einstellen des Drucks des vorderen Endes der Wasserstoffsprühvorrichtung umfassen, so dass der der berechneten erforderlichen Wasserstoffmenge entsprechende Druckwert dem auf den Daten basierenden Messwert des Drucksensors entspricht.
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Das Steuerungsverfahren der Wasserstoffversorgung kann ferner das Vergleichen des Messwertes des Drucksensors mit dem geschätzten Druckwert der Anode und das Aktualisieren der Daten anhand einer Differenz zwischen dem Messwert des Drucksensors und dem geschätzten Druckwert der Anode umfassen, wenn eine vorbestimmte Zeit in einem Zustand des Schließens des Wasserstoffversorgungsventils verstrichen ist.
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Figurenliste
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Die obigen und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun ausführlich beschrieben, wobei beispielhafte Ausführungsformen in den beigefügten Zeichnungen dargestellt werden, die hierin nur zur Veranschaulichung aufgeführt sind und somit die vorliegende Erfindung nicht einschränken, und worin:
- 1 ist ein schematisches Diagramm, das ein Wasserstoffversorgungssystem eines Brennstoffzellensystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 2 ist eine Ansicht, die konzeptionell die Druckzustände des vorderen und hinteren Endes einer Düse eines Auswerfers zeigt, um einen Zusammenhang zwischen dem Druck des vorderen Endes der Düse des Auswerfers und dem Druck einer Anode gemäß einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform darzustellen;
- 3 ist eine schematische Darstellung, die einen Zusammenhang zwischen dem Druck des vorderen Endes der Düse des Auswerfers und der zugeführten Wasserstoffmenge gemäß einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt;
- 4 ist eine Ansicht, die eine Druckänderung jeder Position gemäß einem Öffnungsgrad eines Wasserstoffversorgungsventils gemäß einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
- 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerungsverfahren für die Wasserstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt; und
- 6 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerungsverfahren für die Wasserstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt.
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Es versteht sich, dass die beigefügten Zeichnungsfiguren nicht unbedingt maßstabsgetreu sind und eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener Merkmale darstellen, die die Grundprinzipien der Erfindung veranschaulichen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart werden, einschließlich beispielsweise spezifischer Abmessungen, Ausrichtungen, Positionen und Formen, werden teilweise durch die jeweilige beabsichtigte Anwendung und Einsatzumgebung bestimmt. In den Zeichnungsfiguren beziehen sich die Bezugsziffern auf den gleichen oder gleichwertige Teile der vorliegenden Erfindung in den verschiedenen Figuren der Zeichnung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es versteht sich, dass der hierin verwendete Begriff „Fahrzeug“ oder „fahrzeugartig“ oder ein anderer ähnlicher Begriff Kraftfahrzeuge im Allgemeinen umfasst, wie Personenkraftwagen einschließlich Geländewagen (SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen, und umfasst Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybridfahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoffen (z.B. Kraftstoffe, die aus anderen Ressourcen als Erdöl stammen). Wie hierin erwähnt, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Energiequellen aufweist, also etwa ein sowohl benzinbetriebenes als auch elektrisch angetriebenes Fahrzeug.
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Obwohl beispielhafte Ausführungsformen als Verwendung einer Vielzahl von Einheiten zur Durchführung des beispielhaften Prozesses beschrieben werden, versteht es sich, dass die beispielhaften Prozesse auch von einem oder mehreren Modulen durchgeführt werden können. Darüber hinaus versteht es sich, dass sich der Begriff Steuerung/Steuereinheit auf eine Hardwarevorrichtung bezieht, die einen Speicher und einen Prozessor umfasst. Der Speicher ist eingerichtet, die Module zu speichern, und der Prozessor ist speziell eingerichtet, die Module auszuführen, um einen oder mehrere Prozesse auszuführen, die im Folgenden näher beschrieben werden.
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Die hier verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll keine Einschränkung der Erfindung darstellen. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein“, „einer“ und „der, die, das“ auch die Pluralformen umfassen, sofern der Kontext nichts Anderes hergibt. Es versteht sich außerdem, dass die Begriffe „umfasst“ und/oder „umfassend“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten angibt, jedoch deren Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen nicht ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgeführten Punkte.
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Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, wird, wie hierin verwendet, der Begriff „ungefähr“ als innerhalb eines Bereichs der normalen Toleranz in der Technik verstanden, zum Beispiel innerhalb von 2 Standardabweichungen vom Mittelwerts. „Ungefähr“ kann als innerhalb von 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01 % des angegebenen Wertes verstanden werden. Sofern aus dem Kontext nichts Anderes hervorgeht, werden alle hierin enthaltenen Zahlenwerte durch den Begriff „ungefähr“ abgewandelt.
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Ein Brennstoffzellensystem erzeugt Elektrizität durch elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff, der einer Anode zugeführt wird, und Sauerstoff, der in der einer Kathode zugeführten Luft enthalten ist. Zu diesem Zeitpunkt ist es wichtig, die der Anode zugeführte Wasserstoffmenge entsprechend der von einer Bedienperson benötigten Leistung anzupassen.
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1 ist ein schematisches Diagramm, das ein System zur Wasserstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems darstellt. 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem, bei dem ein Auswerfer 30 am hinteren Ende eines Wasserstoffversorgungsventils 10 als Wasserstoffsprühgerät installiert ist. Der Auswerfer 30 ist eingerichtet, der Anodenseite der Brennstoffzelle Wasserstoff zuzuführen. Im Folgenden wird in der vorliegenden Beschreibung der Auswerfer 30 zwar als Wasserstoffsprühgerät verwendet, dies ist jedoch nur ein Beispiel und es ist auch eine andere Wasserstoffsprühvorrichtung anstelle des Auswerfers 30 einsetzbar.
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Unterdessen kann das aus der Anode austretende Gas über ein Spülventil 50 nach außen abgegeben werden, und ein Teil des Gases kann in den Auswerfer 30 zurückgeführt und wieder der Anode zugeführt werden. Darüber hinaus kann das Kondensatwasser der Anode in einem Speicher 60 gespeichert und abhängig vom Wasserstand des Speichers 60 über ein Ablassventil 70 nach außen abgeleitet werden.
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In dem System, welches das Wasserstoffversorgungsventil 10 und den Auswerfer 30 umfasst, kann die zugeführte Wasserstoffmenge im Allgemeinen durch Druckregelung der Anode eingestellt werden. Der Solldruck der Anode kann anhand der Leistung eines Brennstoffzellenstapels 40 bestimmt werden, und der Druck der Anode kann direkt gemessen werden, so dass die zugeführte Wasserstoffmenge anhand einer Differenz zwischen dem Solldruck und dem gemessenen Druck eingestellt werden kann.
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Ist beispielsweise der gemessene Druck kleiner als der Solldruck, so kann der Öffnungsgrad des Wasserstoffversorgungsventils 10 zur Versorgung mit Wasserstoff vergrößert werden, wodurch der gemessene Druck auf den Solldruck erhöht wird. Im Gegensatz dazu kann, wenn der gemessene Druck größer als der Solldruck ist, der Öffnungsgrad des Wasserstoffversorgungsventils 10 verringert werden, um die Wasserstoffzufuhr zu reduzieren oder zu stoppen und dadurch den gemessenen Druck auf den Solldruck zu senken. Wie vorstehend beschrieben, kann, wenn der Drucksensor am hinteren Ende des Auswerfers 30 installiert ist, um den Druck der Anode direkt zu messen, die zugeführte Wasserstoffmenge genau eingestellt werden, der Drucksensor jedoch einer feuchten Umgebung ausgesetzt sein.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Drucksensor, der zur direkten Messung des Drucks der Anode eingerichtet ist, nicht am hinteren Ende des Auswerfers 30 installiert. Wie in 1 dargestellt, kann ein Drucksensor 20 am vorderen Ende des Auswerfers 30 und am hinteren Ende des Wasserstoffversorgungsventils 10 installiert werden. Die Menge des zugeführten Wasserstoffs kann durch den vom Drucksensor 20 gemessenen Druckwert bestimmt werden, und der Öffnungsgrad des Wasserstoffversorgungsventils 20 kann anhand der ermittelten Menge des zugeführten Wasserstoffs eingestellt werden.
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1 zeigt im Wesentlichen das Wasserstoffversorgungssystem im Brennstoffzellensystem. Insbesondere kann das unter Hochdruck in einem Druckbehälter (nicht dargestellt) gespeicherte Wasserstoffgas über den Auswerfer 30 der Anodenseite zugeführt werden, je nachdem, ob das Wasserstoffversorgungsventil 10 geöffnet ist.
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Gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform kann der Drucksensor 20 zwischen dem Wasserstoffversorgungsventil 10 und dem Auswerfer 30 angebracht werden und der vom Drucksensor 20 gemessene Druckwert kann als Parameter zum Bestimmen der zugeführten Wasserstoffmenge verwendet werden. Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem von 1, obwohl nicht dargestellt, eine Steuerung umfassen, die zum Öffnen und Schließen des Wasserstoffversorgungsventils 10 eingerichtet ist. Die Steuerung kann eingerichtet sein, die der Anode zugeführte Wasserstoffmenge durch Einstellen des Öffnungsgrades des Wasserstoffversorgungsventils 10 zu bestimmen. Die Steuerung kann auch eingerichtet werden, den Solldruck der Anode anhand der erforderlichen Leistung des Systems zu bestimmen und den aktuellen Druck der Anode zu schätzen, um die Menge an Wasserstoff zu bestimmen, die der Anode zugeführt werden soll.
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Wie in 1 dargestellt, kann der vom Drucksensor 20 gemessene Druckwert der Druck P2 zwischen dem Wasserstoffversorgungsventil 10 und dem Auswerfer 30 sein und der Druck des hinteren Endes des Auswerfers 30 kann gleich dem der Anode sein. Der Druck der Anode kann mit P3 angegeben werden. Unterdessen unterscheidet sich beim Öffnen des Wasserstoffversorgungsventils 10 der vom Drucksensor 20 gemessene Druckwert P2 vom Druck P3 der Anode. Ist jedoch das Wasserstoffversorgungsventil 10 geschlossen, so ist der vom Drucksensor 20 gemessene Druckwert P gleich dem der Anode.
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Ein Zusammenhang zwischen dem Druck P3 der Anode und dem Messwert P2 des Drucksensors 20 am vorderen Ende der Düse des Auswerfers 30 wird unter Bezugnahme auf 2 näher beschrieben. Im Allgemeinen kann bei geöffnetem Wasserstoffversorgungsventil 10 das im Druckbehälter gespeicherte Hochdruck-Wasserstoffgas dem Auswerfer 30 zugeführt werden und Wasserstoffgas kann durch die Düse des Auswerfers 30 auf die Anode gesprüht werden. Insbesondere kann der Druck P3 der Anode gegenüber dem Druck P2 des vorderen Endes der Düse des Auswerfers 30 verringert werden.
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Im Gegensatz dazu zeigt 2 einen Zustand, in dem das Wasserstoffversorgungsventil 10 geschlossen ist. Wie in 2 dargestellt, kann das Wasserstoffversorgungsventil 10 geschlossen und die Wasserstoffzufuhr gestoppt werden, wenn sich ein Kolben im Wasserstoffversorgungsventil nach unten bewegt. Insbesondere ist der Druck P2 am hinteren Ende des Wasserstoffversorgungsventils 10 und am vorderen Ende der Düse des Auswerfers 30 geringer als der Druck P1 am vorderen Ende des Wasserstoffversorgungsventils 10. Ist nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit das Wasserstoffversorgungsventil 10 geschlossen, so wird der Druck P2 des hinteren Endes des Wasserstoffversorgungsventils 10 und des vorderen Endes der Düse des Auswerfers 30 gleich dem Druck des hinteren Endes der Düse des Auswerfers 30, d.h. dem Druck P3 der Anode.
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Da der Druck des vorderen Endes der Düse des Auswerfers 30 und der Druck des hinteren Endes der Düse des Auswerfers 30 bei geschlossenem Wasserstoffversorgungsventil 10 gleich werden, kann in der beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform der Druck P3 der Anode aus dem vom Drucksensor 20 gemessenen Druck P2 des vorderen Endes der Düse des Auswerfers 30 geschätzt und die Menge des zugeführten Wasserstoffs bestimmt werden. Insbesondere wird in der vorliegenden Erfindung anstatt eines Verfahrens zum direkten Messen des Drucks der Anode ein Verfahren zum Messen des Drucks P2 zwischen dem hinteren Ende des Wasserstoffversorgungsventils 10 und dem vorderen Ende der Düse des Auswerfers 30 vorgeschlagen, um die Menge des zugeführten Wasserstoffs einzustellen.
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In der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren zur Auswahl des Solldrucks der Anode entsprechend der erforderlichen Leistung des Brennstoffzellensystems gleich dem Verfahren zur Auswahl des Solldrucks der Anode bei einem konventionellen System sein. Bei der vorliegenden Erfindung kann der Druck P2 zwischen dem hinteren Ende des Wasserstoffversorgungsventils 10 und dem vorderen Ende der Düse des Auswerfers 30 gemessen und der aktuelle Druck P3 der Anode aus dem gemessenen Druck P2 geschätzt werden; außerdem kann bei der beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform die zum Erreichen des Solldrucks der Anode erforderliche Wasserstoffmenge anhand des geschätzten Drucks der Anode berechnet werden, anschließend kann der Öffnungsgrad des Wasserstoffversorgungsventils 10 anhand der erforderlichen Wasserstoffmenge eingestellt werden. Dementsprechend können der Druck des vorderen Endes des Auswerfers 30 und die zugeführte Wasserstoffmenge über den geschätzten Druck der Anode eingestellt werden.
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Wie in 3 dargestellt, kann der vom Auswerfer zugeführte Wasserstoffdurchsatz durch den Druck P2 am vorderen Ende der Düse des Auswerfers bestimmt werden. Die vom Auswerfer zugeführte Wasserstoffdurchsatz kann entsprechend einer konstanten Steigung proportional zum Druck P2 am vorderen Ende der Düse des Auswerfers sein. Mit anderen Worten ist, wie in 3 dargestellt, der Druck P2 des hinteren Endes der Wasserstoffzufuhrvorrichtung und des vorderen Endes der Wasserstoffsprühvorrichtung, d.h. des vorderen Endes des Auswerfers, gemäß einer konstanten Steigung proportional zum Durchsatz m' an zugeführtem Wasserstoffs und kann durch „Y=aX“ ausgedrückt werden, wobei a eine Konstante ist, X der Druck zwischen dem vorderen Ende der Wasserstoffzufuhrvorrichtung und dem vorderen Ende der Wasserstoffsprühvorrichtung (Auswerfer) ist, und Y die der Anode zugeführte Wasserstoffmenge ist.
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4 ist eine Ansicht, die eine Druckänderung der jeweiligen Position gemäß einem Öffnungsgrad eines Wasserstoffversorgungsventils zeigt. Wie in 4 dargestellt, können bei Änderung des Öffnungsgrades des Wasserstoffversorgungsventils der Druck P2 zwischen dem hinteren Ende des Wasserstoffversorgungsventils und dem vorderen Ende der Düse des Auswerfers und der aktuelle Druck P3 der Anode steigen oder fallen.
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In der beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform können im Brennstoffzellensystem Kartierungsdaten der zugeführten Wasserstoffmenge anhand eines linearen Zusammenhangs zwischen dem Druck P2 des vorderen Endes der Düse des Auswerfers und der zugeführten Wasserstoffmenge gespeichert werden. Die Kartierungsdaten können in der Steuerung des Brennstoffzellensystems gespeichert werden.
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Nachfolgend wird in einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform ein Steuerungsverfahren für die Wasserstoffversorgung des Brennstoffzellensystems im Detail mit Blick auf die 5 und die 6 beschrieben. Bei der beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Wasserstoffversorgung des Brennstoffzellensystems einschließlich des Wasserstoffversorgungsventils, der Wassersprühvorrichtung, der Steuerung zum Öffnen und Schließen des Wasserstoffversorgungsventils und des Drucksensors zum Messen des Drucks zwischen dem hinteren Ende des Wasserstoffversorgungsventils und dem vorderen Ende der Wassersprühvorrichtung vorgeschlagen.
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Insbesondere kann bei der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 5 dargestellt, die Steuerung eingerichtet werden, den Messwert des Drucksensors in einem Zustand mit gesperrtem Wasserstoffversorgungsventils (z.B. bei geschlossenem Ventil) als Druckschätzwert (S501) zu bestimmen. In Schritt S501 kann, wie in 2 dargestellt, wenn der Druck des vorderen Endes der Düse des Auswerfers und der Druck des hinteren Endes der Düse des Auswerfers durch Blockieren des Schließens des Wasserstoffversorgungsventils gleich werden, der Messwert des Drucksensors des vorderen Endes des Auswerfers als geschätzter Druckwert der Anode festgelegt werden.
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Dementsprechend kann die Steuerung eingerichtet werden, den Solldruck der Anode anhand der erforderlichen Leistung des Brennstoffzellensystems (S502) zu bestimmen. In diesem Schritt kann der Solldruck der Anode, die in der Lage ist, die von der Bedienperson angeforderte Leistung im Brennstoffzellenstapel 40 zu erzeugen, bestimmt werden und wurde im Allgemeinen zur Steuerung des Brennstoffzellensystems verwendet, so dass eine detaillierte Beschreibung entfällt.
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Wird der Solldruck der Anode bestimmt, so kann die Steuerung eingerichtet werden, die der Anode zuzuführende Wasserstoffmenge aus einer Differenz zwischen dem Solldruck der Anode und dem geschätzten Druckwert der Anode (S503) zu berechnen. In diesem Schritt S503 kann die zum Erreichen des Solldrucks erforderliche Wasserstoffmenge aus der Differenz zwischen dem Solldruck der Anode und dem geschätzten Druck der Anode berechnet werden. Die benötigte Wasserstoffmenge kann mit Hilfe einer idealen Gaszustandsgleichung berechnet werden. Mit anderen Worten, da die Steuerung eingerichtet werden kann, Informationen über das Volumen der Anode und Informationen über die Temperatur der Anode zu erfassen, kann es, wenn eine Differenz zwischen dem Solldruck der Anode und dem geschätzten Druck der Anode auftritt, möglich sein, die Wasserstoffmenge, die erforderlich ist, um den Solldruck der Anode zu erreichen, zu berechnen.
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Wird die erforderliche Wasserstoffmenge berechnet, so kann die Steuerung eingerichtet werden, den Öffnungsgrad des Wasserstoffversorgungsventils anhand der berechneten erforderlichen Wasserstoffmenge (S504) einzustellen. In Schritt S504 kann der Öffnungsgrad des Wasserstoffversorgungsventils so eingestellt werden, dass der Druck am vorderen Ende des Auswerfers angepasst wird. Dementsprechend kann die zugeführte Wasserstoffmenge anhand des Verhältnisses zwischen dem Druck P2 des vorderen Endes des Auswerfers und der zugeführten Wasserstoffmenge eingestellt werden.
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So können beispielsweise Daten über die der Anode zugeführte Wasserstoffmenge anhand des Drucks zwischen dem hinteren Ende der Wasserstoffzufuhrvorrichtung und dem vorderen Ende der Wasserstoffsprühvorrichtung in der Steuerung gespeichert werden. In Schritt S504 kann der Öffnungsgrad des Wasserstoffversorgungsventils anhand der Daten eingestellt werden, so dass der Druckwert, der der berechneten benötigten Wasserstoffmenge entspricht, dem Messwert des Drucksensors entspricht. Dementsprechend kann die Steuerung eingerichtet werden, den Öffnungsgrad des Wasserstoffversorgungsventils anhand der berechneten benötigten Wasserstoffmenge einzustellen und so den Druck am vorderen Ende der Wasserstoffsprühvorrichtung (z.B. des Auswerfers) anzupassen.
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Da die durch den Auswerfer zugeführte Wasserstoffmenge durch den Druck P2 des vorderen Endes des Auswerfers bestimmt werden kann, kann, wie in 3 dargestellt, die der Anode zugeführte Wasserstoffmenge durch Messen des Drucks P2 des vorderen Endes des Auswerfers berechnet werden. Insbesondere ist der Druck des vorderen Endes des Auswerfers der gemessene Druckwert des Drucksensors und somit kann der Anode beim Öffnen des Wasserstoffversorgungsventils Wasserstoff anhand des gemessenen Druckwerts zugeführt werden. Dementsprechend kann die zugeführte Wasserstoffmenge durch Schätzen der zugeführten Wasserstoffmenge anhand des gemessenen Druckwerts während der Zeit nach dem Öffnen des Wasserstoffversorgungsventils (S505) berechnet werden.
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Mit anderen Worten, in Schritt S505 kann der Druckschätzwert der Anode aus dem Druckmesswert P2 des Drucksensors neu berechnet werden, wodurch der Druckschätzwert der Anode (S505) aktualisiert wird. Insbesondere kann in Schritt S505 zur Aktualisierung des Druckschätzwerts der Anode die der Anode tatsächlich zugeführte Wasserstoffmenge aus dem Messwert des Drucksensors und der verstrichenen Zeit berechnet werden, und der Druckschätzwert der Anode kann aus der Differenz zwischen der zuvor in Schritt S503 berechneten Wasserstoffmenge und der in Schritt S505 berechneten Wasserstoffmenge berechnet werden. Der geschätzte Druckwert kann durch die ideale Gaszustandsgleichung wie in Schritt S502 berechnet werden und der geschätzte Druckwert der Anode kann durch den geschätzten Druckwert der Anode aktualisiert werden.
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Der Vorgang des Schätzens des Drucks der Anode, einschließlich der Schritte S502 bis S505, kann während des Betriebs des Brennstoffzellensystems wiederholt durchgeführt werden. Dementsprechend kann nach Schritt S505 der Aktualisierung des geschätzten Druckwertes der Anode erkannt werden, ob das Brennstoffzellensystem in Betrieb ist. Wenn das Brennstoffzellensystem in Betrieb ist, kann eine Reihe von Schritten, einschließlich Schritt S502 zum Bestimmen des Solldrucks der Anode bis Schritt S505 zum Aktualisieren des geschätzten Druckwerts der Anode, wiederholt durchgeführt werden.
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Darüber hinaus kann die Steuerung eingerichtet werden, Informationen über die Menge des in die Anode übergehenden Wasserstoffs und die Menge des in der Anode verbrauchten Wasserstoffs zu erhalten, und die Menge des in die Anode übergehenden Wasserstoffs und die Menge des in der Anode verbrauchten Wasserstoffs können verwendet werden, um den Druck der Anode genauer zu schätzen. Mit anderen Worten wird, da die Menge an Wasserstoff, die der Anode tatsächlich zugeführt wird, erhalten werden kann, indem die Menge an Wasserstoff, die in die Anode übergeht, und die Menge an Wasserstoff, die in der Anode verbraucht wird, von der Menge an tatsächlich zugeführtem Wasserstoff ausgenommen wird, (Menge an tatsächlich zugeführtem Wasserstoff - Menge an Wasserstoff, die in die Anode übergeht - Menge an Wasserstoff, die im Stapel verbraucht wird), diejenige Menge an Wasserstoff verwendet, die der Anode tatsächlich zugeführt wird, wodurch der geschätzte Druckwert der Anode berechnet und aktualisiert wird.
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Unterdessen zeigt die 6 ein Flussdiagramm, das ein Steuerungsverfahren für die Wasserstoffversorgungeines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt. Das Beispiel von 6 entspricht dem Beispiel von 5, mit der Ausnahme, dass Schritte zum Aktualisieren von Daten über den Druck des vorderen Endes des Auswerfers und die Menge des zugeführten Wasserstoffs durchgeführt werden, während das Wasserstoffversorgungsventil für eine vorbestimmte Zeit oder länger geschlossen ist, wie beim Anhalten eines Fahrzeugs.
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Dementsprechend ist auch im Beispiel von 6 ein Schritt S601 als Bestimmen des Messwertes des Drucksensors als geschätzten Druckwert in einem Zustand des Sperrens des Wasserstoffversorgungsventils, ein Schritt S602 als Bestimmen des Solldrucks der Anode anhand der erforderlichen Leistung des Brennstoffzellensystems, ein Schritt S606 als Berechnen der der Anode zuzuführenden Wasserstoffmenge aus der Differenz zwischen dem Solldruck der Anode und dem geschätzten Druckwert der Anode, ein Schritt S607 als Einstellen des Öffnungsgrades des Wasserstoffversorgungsventils anhand der berechneten erforderlichen Wasserstoffmenge, und ein Schritt S608 als Aktualisieren des geschätzten Druckwerts der Anode durch Neuberechnen des geschätzten Druckwerts der Anode aus dem Messwert des Drucksensors und der nach dem Öffnen des Wasserstoffversorgungsventils verstrichenen Zeit enthalten.
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Im Gegensatz dazu kann gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform ein Schritt S603 zum Erfassen, ob, wenn das Wasserstoffversorgungsventil geschlossen ist, eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, durchgeführt werden. Ist das Wasserstoffversorgungsventil für die vorbestimmte Zeit oder länger geschlossen, so wird der Druck P2 am vorderen Ende des Auswerfers gleich dem Druck P3 der Anode. Daher ist es bei Verwendung des vom Drucksensor gemessenen Druckwerts des vorderen Endes des Auswerfers möglich, den Druck der Anode zum entsprechenden Zeitpunkt genauer zu schätzen.
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Unterdessen können die Fehler des geschätzten Druckwertes der Anode aufgrund von Düsengrößenfehlern, Steuergeschwindigkeitsfehlern usw. während der Fahrt kontinuierlich akkumuliert werden. Dementsprechend können in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform, wenn der Druck des vorderen Endes des Auswerfers und der Druck des hinteren Endes des Auswerfers gleich werden wie beim Anhalten des Fahrzeugs, der vom Drucksensor gemessene Wert und der geschätzte Druckwert der Anode verglichen werden (S604) und die Daten können anhand der Differenz zwischen dem vom Drucksensor gemessenen Wert und dem geschätzten Druckwert der Anode (S605) aktualisiert werden. Steht beispielsweise während des Betriebs des Brennstoffzellensystems nicht die erforderliche Leistung zur Verfügung, so ist die Wasserstoffversorgung ja nicht erforderlich, und das Wasserstoffversorgungsventil kann geschlossen werden. Durch das Ersetzen des Druckschätzwertes der Anode durch den gemessenen Druckwert des vorderen Endes der Düse des Auswerfers nach Ablauf einer bestimmten Zeit nach dem Schließen des Wasserstoffversorgungsventils ist es möglich, Berechnungsfehler zu vermeiden, die während des Betriebs auftreten.
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Wie vorstehend beschrieben, können die Daten über den Druck des vorderen Endes des Auswerfers und die zugeführte Wasserstoffmenge in einem linearen Zusammenhang definiert werden, so dass die aktualisierten Daten durch die folgende Gleichung unter Verwendung eines Verhältnisses des Messwertes des Drucksensors zum geschätzten Druckwert der Anode als Koeffizient bestimmt werden können.
wobei a eine Konstante bezeichnet,
X den Druck zwischen dem hinteren Ende der Wasserstoffzufuhrvorrichtung und dem vorderen Ende der Wasserstoffsprühvorrichtung bezeichnet,
Y die der Anode zugeführte Wasserstoffmenge bezeichnet, Pm den Messwert des Drucksensors bezeichnet und Pe den geschätzten Druckwert der Anode bezeichnet.
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Durch das vorstehend beschriebene Verfahren zur Steuerung der Wasserstoffzufuhr des Brennstoffzellensystems ist es, auch wenn ein separater Drucksensor zum Messen des Innendrucks der Anode weggelassen wird, möglich, die zugeführte Wasserstoffmenge aus dem gemessenen Druckwert des Drucksensors, der zwischen dem hinteren Ende des Wasserstoffversorgungsventils und dem vorderen Ende der Wasserstoffsprühvorrichtung installiert ist, genau einzustellen.
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Bei der Steuerung der Wasserstoffzufuhr des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch dann, wenn der Drucksensor in der feuchten Umgebung der Anode weggelassen wird, aufgrund der Möglichkeit, die zugeführte Wasserstoffmenge genau einzustellen, die Lebensdauer des Drucksensors verbessert werden und ein spezieller Drucksensor für den Einsatz in einer feuchten Umgebung kann weggelassen werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Genauigkeit des Drucksensors verbessert und kontinuierlich aufrechterhalten werden, indem die Kartierungsdaten des Drucksensors regelmäßig aktualisiert werden.
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Die Erfindung wurde mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen ausführlich beschrieben. Fachleuten ist jedoch bewusst, dass die vorliegende Erfindung mit verschiedenen Änderungen und Modifikationen umgesetzt werden kann, z.B. durch Hinzufügen, Ändern oder Weglassen von Bestandteilen, ohne von den Prinzipien und der Idee der Erfindung abzuweichen, und diese Änderungen und Modifikationen fallen entsprechend auch in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung.
