DE102020128035A1

DE102020128035A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102020128035A1
Application number: DE102020128035.1A
Authority: DE
Inventors: Masaaki Matsusue
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2021-07-22
Also published as: US20210226237A1; CN113161580A; CN113161580B; JP7192808B2; US11695143B2; JP2021118047A

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem (100) umfasst eine Brennstoffzelle (1), eine erste und eine zweite Zufuhrvorrichtung (31, 32), einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider (5), ein Auslassventil (6), einen ersten und einen zweiten Ejektor (4a, 4b) zum Ausstoßen von Brenngas und Abgas zu der Brennstoffzelle (1), eine Messvorrichtung (15) für einen Gasdruck und eine Steuervorrichtung (70). Der erste Ejektor (4a) weist einen kleineren Ausstoßbetrag als der zweite Ejektor (4b) auf. Der erste Ejektor (4a) weist einen größeren Zirkulationsbetrag als der zweite Ejektor (4b) auf. Die Steuervorrichtung (70) führt die Zufuhr während einer ersten Zeit aus der ersten Zufuhrvorrichtung (31) in jedem ersten Zyklus so aus, dass der Druck ein erster Zielwert wird, und wenn der erste Ejektor (4a) in einem anormalen Zustand ist, so stoppt sie die erste Zufuhrvorrichtung (31), führt die Zufuhr während einer kürzeren zweiten Zeit aus der zweiten Zufuhrvorrichtung (32) in jedem kürzeren zweiten Zyklus so aus, dass der Druck ein höherer zweiter Zielwert wird, und öffnet und schließt das Auslassventil (6) in jedem ersten Zyklus.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
Beschreibung des Standes der Technik
In einem Brennstoffzellensystem verwendet ein Ejektor Brenngas, das aus einer Düse in einen Diffusor eingeblasen wird, als Antriebsgas, um Abgas, das aus der Brennstoffzelle austritt, in den Diffusor zu saugen, mischt das Brenngas und das Abgas und stößt das gemischte Gas in Richtung der Brennstoffzelle aus (siehe zum Beispiel die japanische ungeprüfte Patentanmeldungspublikation Nr. 2010-242508 ( JP 2010-242508 A )). Infolge dessen zirkuliert das Abgas über den Ejektor zu der Brennstoffzelle.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Zum Beispiel können zwei Ejektoren mit unterschiedlichen Zirkulationskennlinien parallel in dem Brennstoffzellensystem angeordnet sein und können je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle zweckmäßig zur Verwendung ausgewählt werden. Ein Ejektor mit hoher Zirkulationskennlinie (im Folgenden als „Ejektor mit hoher Zirkulation“ bezeichnet) weist einen kleineren Düsendurchmesser auf und weist damit einen geringeren Ausstoßbetrag pro Zeiteinheit auf, weist jedoch einen größeren Zirkulationsbetrag an Abgas im Vergleich zu einem Ejektor mit niedriger Zirkulationskennlinie auf (im Folgenden als „Ejektor mit niedriger Zirkulation“ bezeichnet).
Wenn zum Beispiel die Düse des Ejektors mit hoher Zirkulation eingefroren und blockiert ist, so kann kein Gas aus dem Ejektor mit hoher Zirkulation zugeführt werden, so dass es denkbar ist, die Gaszufuhr mit dem Ejektor mit niedriger Zirkulation anstelle des Ejektors mit hoher Zirkulation durchzuführen.
Der Ejektor mit niedriger Zirkulation weist jedoch einen größeren Ausstoßbetrag pro Zeiteinheit als der Ejektor mit hoher Zirkulation auf, und der Zufuhrbetrag des Brenngases kann übermäßig größer sein als der für die Stromerzeugung erforderliche Betrag. Andererseits wird der Zufuhrbetrag des Brenngases reduziert, wenn die Zeit für die Gaszufuhr aus dem Ejektor mit geringer Zirkulation verkürzt wird, so dass der Schwankungsbereich des Drucks in dem Anodensystem reduziert wird. Daher kann es schwierig sein, das flüssige Anodenwasser durch einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider mittels der Zirkulationsstömung des Abgases abzuführen.
Daher stellt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem bereit, das die Gaszufuhr unter Verwendung eines Ejektors, der eine relativ hohe Zirkulationskennlinie aufweist, durch eine Gaszufuhr unter Verwendung eines Ejektors, der eine relativ niedrige Zirkulationskennlinie aufweist, ersetzen kann, während eine übermäßige Gaszufuhr und eine Verschlechterung der Entwässerungseigenschaften vermieden werden.
Ein in dieser Spezifikation beschriebenes Brennstoffzellensystem umfasst: eine Brennstoffzelle, die dafür eingerichtet ist, unter Verwendung von Brenngas elektrischen Strom zu erzeugen; eine erste Zufuhrvorrichtung und eine zweite Zufuhrvorrichtung, die dafür eingerichtet sind, der Brennstoffzelle jeweils das Brenngas zuzuführen; einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider, der dafür eingerichtet ist, flüssiges Wasser von aus der Brennstoffzelle ausgestoßenem Abgas zu trennen und das flüssige Wasser zu speichern; ein Auslassventil, das dafür eingerichtet ist, das in dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider gespeicherte flüssige Wasser abzulassen; einen ersten Ejektor, der dafür eingerichtet ist, das Abgas aus dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider unter Verwendung des Brenngases aus der ersten Zufuhrvorrichtung als ein Antriebsfluid anzusaugen und das Abgas zusammen mit dem Brenngas in Richtung der Brennstoffzelle auszustoßen, dergestalt, dass das Abgas zu der Brennstoffzelle zirkuliert; einen zweiten Ejektor, der dafür eingerichtet ist, das Abgas aus dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider unter Verwendung des Brenngases aus der zweiten Zufuhrvorrichtung als ein Antriebsfluid anzusaugen und das Abgas zusammen mit dem Brenngas in Richtung der Brennstoffzelle auszustoßen, dergestalt, dass das Abgas zu der Brennstoffzelle zirkuliert; eine Messvorrichtung zum Messen eines Drucks des Brenngases an einem Einlass der Brennstoffzelle; und eine Steuervorrichtung, die dafür eingerichtet ist, die erste Zufuhrvorrichtung, die zweite Zufuhrvorrichtung und das Auslassventil zu steuern. Ein Ausstoßbetrag des Brenngases pro Zeiteinheit aus dem ersten Ejektor ist kleiner als ein Ausstoßbetrag des Brenngases pro Zeiteinheit aus dem zweiten Ejektor. Ein Zirkulationsbetrag des Abgases, das durch Zufuhr eines zuvor festgelegten Betrages des Brenngases aus dem ersten Ejektor zu der Brennstoffzelle zirkuliert, ist größer als ein Zirkulationsbetrag des Abgases, das durch Zufuhr des zuvor festgelegten Betrages des Brenngases aus dem zweiten Ejektor zu der Brennstoffzelle zirkuliert. Die Steuervorrichtung ist dafür eingerichtet, die Zufuhr während einer ersten Zeit aus der ersten Zufuhrvorrichtung in jedem ersten Zyklus so auszuführen, dass der durch die Messvorrichtung gemessene Druck ein erster Zielwert wird. Die Steuervorrichtung ist dafür eingerichtet, wenn ein Ausstoß des Brenngases aus dem ersten Ejektor in einem anormalen Zustand ist, die Zufuhr des Brenngases aus der ersten Zufuhrvorrichtung zu stoppen, die Zufuhr während einer zweiten Zeit aus der zweiten Zufuhrvorrichtung in jedem zweiten Zyklus so auszuführen, dass der durch die Messvorrichtung gemessene Druck ein zweiter Zielwert wird, und das Auslassventil in jedem ersten Zyklus zu öffnen und zu schließen. Die zweite Zeit ist kürzer als die erste Zeit, der zweite Zyklus ist kürzer als der erste Zyklus und der zweite Zielwert ist höher als der erste Zielwert.
Gemäß der obigen Ausgestaltung kann in dem Brennstoffzellensystem das aus der Brennstoffzelle abgeführte Abgas durch das aus der ersten Zufuhrvorrichtung oder der zweiten Zufuhrvorrichtung zugeführte Brenngas über den Gas-Flüssigkeits-Abscheider und den ersten Ejektor oder den zweiten Ejektor zu der Brennstoffzelle zirkuliert werden. Durch den Gas-Flüssigkeits-Abscheider wird flüssiges Wasser aus dem Abgas abgeschieden und in dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider gespeichert. Die Steuervorrichtung kann das flüssige Wasser aus dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider ablassen, indem sie das Öffnen/Schließen des Auslassventils steuert.
Die Steuervorrichtung führt die Zufuhr aus der ersten Zufuhrvorrichtung während der ersten Zeit in jedem ersten Zyklus so aus, dass der Druck des Brenngases am Einlass der Brennstoffzelle den ersten Zielwert annimmt. Des Weiteren stoppt die Steuervorrichtung die Zufuhr des Brenngases aus der ersten Zufuhrvorrichtung und führt die Zufuhr von der zweiten Zufuhrvorrichtung aus, wenn das Ausstoßen des Brenngases aus dem ersten Ejektor in einem anormalen Zustand ist.
Hier ist der Ausstoßbetrag des Brenngases pro Zeiteinheit aus dem ersten Ejektor kleiner als der Ausstoßbetrag des Brenngases pro Zeiteinheit aus dem zweiten Ejektor. Des Weiteren ist der Zirkulationsbetrag des Abgases, das durch Zufuhr des zuvor festgelegten Betrages des Brenngases aus dem ersten Ejektor zu der Brennstoffzelle zirkuliert, größer als der Zirkulationsbetrag des Abgases, das durch Zufuhr des zuvor festgelegten Betrages des Brenngases aus dem zweiten Ejektor zu der Brennstoffzelle zirkuliert.
Die Steuervorrichtung führt die Versorgung während der zweiten Zeit von der zweiten Zufuhrvorrichtung in jedem zweiten Zyklus so aus, dass der Druck des Brenngases am Einlass der Brennstoffzelle den zweiten Zielwert annimmt, und öffnet und schließt das Auslassventil in jedem ersten Zyklus. Die zweite Zeit ist kürzer als die erste Zeit, der zweite Zyklus ist kürzer als der erste Zyklus und der zweite Zielwert ist höher als der erste Zielwert.
Infolge dessen führt die zweite Zufuhrvorrichtung die Zufuhr des Brenngases so aus, dass der Druck des Brenngases am Einlass der Brennstoffzelle während eines kürzeren Zeitraums in einem kürzeren Zyklus auf den zweiten Zielwert ansteigt als für den Fall der Zufuhr des Brenngases durch die erste Zufuhrvorrichtung. Daher wird die Verringerung des Zirkulationsbetrages des Abgases durch den zweiten Ejektor vermieden, indem der Druck und die Zufuhrfrequenz des Brenngases erhöht werden. Außerdem wird der Druck des Brenngases am Einlass durch die Zufuhr mit hoher Frequenz und während eines kurzen Zeitraums mit hoher Genauigkeit auf dem zweiten Zielwert gehalten, wodurch ein übermäßiger Anstieg des Drucks des Brenngases vermieden und eine übermäßige Zufuhr des Brenngases vermieden wird.
Da die Steuervorrichtung das Auslassventil im selben ersten Zyklus öffnet und schließt wie die Zufuhr des Brenngases durch die erste Zufuhrvorrichtung, kann des Weiteren der Druck des Brenngases von dem zweiten Zielwert in jedem ersten Zyklus abfallen. Das heißt, selbst wenn der Druck des Brenngases am Einlass auf dem zweiten Zielwert gehalten wird, werden die Entwässerungseigenschaften beibehalten, da der Druck in jedem ersten Zyklus pulsiert, wie für den Fall der Zufuhr des Brenngases durch die erste Zufuhrvorrichtung.
Gemäß der obigen Ausgestaltung kann das Brennstoffzellensystem die Gaszufuhr unter Verwendung des ersten Ejektors, der die hohe Zirkulationskennlinie aufweist, durch die Gaszufuhr unter Verwendung des zweiten Ejektors, der die niedrige Zirkulationskennlinie aufweist, ersetzen, während eine übermäßige Gaszufuhr und eine Verschlechterung der Entwässerungseigenschaften vermieden werden.
In der obigen Ausgestaltung kann der zweite Zyklus kürzer sein als ein Zeitraum, während dem eine Zirkulationsstömung des Abgases, der durch die Zufuhr des Brenngases aus der zweiten Zufuhrvorrichtung erzeugt wird, fortgesetzt wird.
In der obigen Ausgestaltung kann die Steuervorrichtung dafür eingerichtet sein, das Auslassventil zu öffnen, nachdem sie die Zufuhr des Brenngases aus der zweiten Zufuhrvorrichtung mehrere Male in jedem zweiten Zyklus ausgeführt hat, und das Auslassventil zu schließen, wenn der durch die Messvorrichtung gemessene Druck maximal so groß wie der erste Zielwert wird.
In der obigen Ausgestaltung kann die Steuervorrichtung dafür eingerichtet sein, nachdem die Zufuhr des Brenngases aus der ersten Zufuhrvorrichtung ausgeführt wurde, und wenn der durch die Messvorrichtung gemessene Druck unter den ersten Zielwert fällt, die Zufuhr des Brenngases aus der ersten Zufuhrvorrichtung erneut auszuführen, und nachdem die Zufuhr des Brenngases aus der zweiten Zufuhrvorrichtung ausgeführt wurde, und wenn der durch die Messvorrichtung gemessene Druck unter den zweiten Zielwert fällt, die Zufuhr des Brenngases aus der zweiten Zufuhrvorrichtung erneut auszuführen.
In der obigen Ausgestaltung kann der zweite Zielwert niedriger sein als ein Maximalwert des Drucks, der durch die Messvorrichtung gemessen wird, wenn die Zufuhr des Brenngases aus der ersten Zufuhrvorrichtung ausgeführt wird.
In der obigen Ausgestaltung kann die Steuervorrichtung dafür eingerichtet sein, die Zufuhr des Brenngases aus der zweiten Zufuhrvorrichtung aufrecht zu erhalten, bis der durch die Messvorrichtung gemessene Druck den zweiten Zielwert erreicht, wenn sich der Ausstoß des Brenngases aus dem ersten Ejektor in dem anormalen Zustand befindet oder wenn das Auslassventil geschlossen ist.
In der obigen Ausgestaltung kann die Steuervorrichtung dafür eingerichtet sein, anhand des Drucks, der durch die Messvorrichtung gemessen wird, wenn die Zufuhr des Brenngases aus der ersten Zufuhrvorrichtung ausgeführt wird, zu bestimmen, ob sich der Ausstoß des Brenngases aus dem ersten Ejektor im anormalen Zustand befindet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Gaszufuhr unter Verwendung eines Ejektors, der eine relativ hohe Zirkulationskennlinie aufweist, durch eine Gaszufuhr unter Verwendung eines Ejektors, der eine relativ niedrige Zirkulationskennlinie aufweist, ersetzen werden, während eine übermäßige Gaszufuhr und eine Verschlechterung der Entwässerungseigenschaften vermieden werden.
Figurenliste
Merkmale, Vorteile sowie die technische und industrielle Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und in denen Folgendes zu sehen ist:

1 ist ein Ausgestaltungsschaubild, das ein Beispiel eines Brennstoffzellensystems zeigt;
2 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Zirkulationskennlinie von Anodenabgas unter Verwendung eines Ejektors mit hoher Zirkulation und eines Ejektors mit niedriger Zirkulation zeigt;
3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Ein/Aus-Steuerung eines Injektors mit hoher Zirkulation und eines Injektors mit niedriger Zirkulation in einem normalen Zustand zeigt;
4 ist ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel einer Operation des Zuführens von Anodengas aus dem Injektor mit niedriger Zirkulation anstelle des Injektors mit hoher Zirkulation zeigt;
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Zyklus der Ein/Aus-Steuerung des Injektors mit geringer Zirkulation zeigt;
6 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel eines Zyklus der Ein/AusSteuerung des Injektors mit geringer Zirkulation zeigt;
7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel von Änderungen der Konzentration des Anodenabgases aufgrund von Druckänderungen zeigt;
8 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel des Ableitens von flüssigem Wasser zeigt;
9 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel des Betriebes einer elektronischen Steuereinheit (Electronic Control Unit, ECU) zeigt;
10 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Ausstoßnormalitätsbestimmungsprozesses des Ejektors mit hoher Zirkulation zeigt; und
11 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel der Ein/Aus-Steuerung des Injektors mit geringer Zirkulation anstelle des Injektors mit hoher Zirkulation zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 100
1 ist ein Ausgestaltungsschaubild, das ein Beispiel eines Brennstoffzellensystems 100 zeigt. Das Brennstoffzellensystem 100 ist zum Beispiel in einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert und umfasst eine Brennstoffzelle (Fuel Cell, FC) 1, einen Motor M, ein Kathodensystem 2, ein Anodensystem 3, eine elektronische Steuereinheit (ECU) 70 und einen Gaspedalbetätigungsbetragssensor 71. Auf eine Darstellung der elektrischen Ausgestaltung zum Verbinden der FC 1 und des Motors M wird verzichtet.
Die FC 1 umfasst einen gestapelten Körper aus mehreren Festpolymerelektrolyt-Einheitszellen. Die FC 1 wird mit Kathodengas und Anodengas beaufschlagt und erzeugt elektrischen Strom durch die chemische Reaktion des Kathodengases und des Anodengases. In der vorliegenden Ausführungsform wird sauerstoffhaltige Luft als das Kathodengas verwendet, und Wasserstoffgas wird als das Anodengas verwendet. Das Anodengas ist ein Beispiel des zur Stromerzeugung verwendeten Brenngases. Der durch die FC 1 erzeugte elektrische Strom wird dem Motor M zugeführt.
Die FC 1 weist einen Einlass 11 und einen Auslass 12 des Anodengases sowie einen Einlass 13 und einen Auslass 14 des Kathodengases auf. Der Einlass 11 und der Auslass 12 des Anodengases sind über einen Anodengasströmungspfad L31 verbunden, und der Einlass 13 und der Auslass 14 des Kathodengases sind über einen Kathodengasströmungspfad L21 verbunden. Der Anodengasströmungspfad L31 und der Kathodengasströmungspfad L21 umfassen einen Verteiler, der sich durch den gestapelten Körper der Einheitszellen hindurch erstreckt, eine in dem Separator der Einheitszellen ausgebildete Nut und dergleichen. Der Einlass 11 für das Anodengas ist ein Beispiel des Einlasses für das Brenngas.
Das Kathodensystem 2 beaufschlagt die FC 1 mit sauerstoffhaltiger Luft als das Kathodengas. Das Kathodensystem 2 umfasst zum Beispiel eine Kathodenzuleitung L20, eine Kathodenaustragsleitung L22 und einen Luftkompressor 20.
Das Ende der Kathodenzuleitung L20 auf der stromabwärtigen Seite ist mit dem Einlass 13 des Kathodengases des FC 1 verbunden. Der Luftkompressor (Air Compressor, ACP) 20 ist in der Kathodenzuleitung L20 angeordnet. Der Luftkompressor 20 komprimiert das Kathodengas. Das Kathodengas strömt durch die Kathodenzuleitung L20 und wird der FC 1 zugeführt, wie durch einen Pfeil R20 gezeigt. Das Kathodengas in der FC 1 wird zur Stromerzeugung verwendet, indem es von dem Einlass 13 durch den Kathodengasströmungspfad L21 strömt und mit dem Anodengas chemisch reagiert, wie durch einen Pfeil R21 gezeigt.
Das Ende der Kathodenaustragsleitung L22 auf der stromaufwärtigen Seite ist mit dem Auslass 14 des Kathodenabgases der FC 1 verbunden. Die FC 1 lässt das zur Stromerzeugung verwendete Kathodengas als das Kathodenabgas aus dem Auslass 14 in die Kathodenaustragsleitung L22 ab. Das Kathodenabgas strömt durch die Kathodenaustragsleitung L22 und wird ins Freie abgelassen, wie durch einen Pfeil R22 gezeigt.
Das Anodensystem 3 beaufschlagt die FC 1 mit dem Anodengas. Das Anodensystem 3 umfasst eine Anodenzuleitung L30, eine Anodenaustragsleitung L32, eine Rücklaufleitung L33, eine Verbindungsleitung L34, eine Entwässerungsableitung L35, einen Brennstofftank 30, einen Injektor (INJ) 31 mit hoher Zirkulation, einen Injektor 32 mit niedriger Zirkulation, einen Drucksensor 15, eine Ejektoreinheit 4, einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider 5 und ein Anodenauslassventil 6.
Das Anodengas wird in dem Brennstofftank 30 in einem Hochdruckzustand gespeichert. Der Brennstofftank 30 ist über die Verbindungsleitung L34, die sich zweifach verzweigt, mit dem INJ 31 mit hoher Zirkulation und dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation verbunden. Der Brennstofftank 30 versorgt den INJ 31 mit hoher Zirkulation und den INJ 32 mit niedriger Zirkulation mit dem Anodengas.
Der INJ 31 mit hoher Zirkulation und der INJ 32 mit niedriger Zirkulation blasen das Anodengas intermittierend auf der Grundlage eines Impulsbreitenmodulationssignals (PWM), das von der ECU 70 eingespeist wird, ein. Der INJ 31 mit hoher Zirkulation und der INJ 32 mit niedriger Zirkulation blasen das Anodengas ein, wenn das PWM-Signal EIN anzeigt, und stoppen das Einblasen des Anodengases, wenn das PWM-Signal Aus anzeigt. Der INJ 31 mit hoher Zirkulation und der INJ 32 mit niedriger Zirkulation führen das Einblasen in dem Einblaszyklus und während der Einblaszeit auf der Grundlage des PWM-Signals durch. Der INJ 31 mit hoher Zirkulation und der INJ 32 mit niedriger Zirkulation sind Beispiele für eine erste Zufuhrvorrichtung bzw. eine zweite Zufuhrvorrichtung, welche die FC 1 mit dem Brenngas beschicken. Der INJ 31 mit hoher Zirkulation und der INJ 32 mit niedriger Zirkulation sind mit der Ejektoreinheit 4 verbunden.
1 zeigt einen Schnitt durch die Ejektoreinheit 4 entlang der Richtung, in der das Anodengas strömt. Die Ejektoreinheit 4 umfasst einen Ejektor 4a mit hoher Zirkulation und einen Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation, die unterschiedliche Zirkulationskennlinien des Anodenabgases aufweisen.
Der Ejektor 4a mit hoher Zirkulation weist eine Düse 41a mit kleinem Durchmesser und einen Diffusor 43a auf. Der Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation weist eine Düse 41b mit großem Durchmesser und einen Diffusor 43b auf. Der Ejektor 4a mit hoher Zirkulation und der Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation weisen einen gemeinsamen plattenförmigen Befestigungsabschnitt 40 auf. Als Material für die Ejektoreinheit 4 kann zum Beispiel rostfreier Stahl (SUS) verwendet werden, jedoch ist das Material nicht darauf beschränkt.
Der Befestigungsabschnitt 40 fixiert die Düse mit kleinem Durchmesser 41a und die Düse mit großem Durchmesser 41b. Der Einlass der Düse 41a mit kleinem Durchmesser ist mit dem Einblasport des INJ 31 mit hoher Zirkulation verbunden, und der Einlass der Düse 41b mit großem Durchmesser ist mit dem Einblasport des INJ 32 mit niedriger Zirkulation verbunden.
Die Düse 41a mit kleinem Durchmesser bläst das Anodengas aus dem INJ 31 mit hoher Zirkulation in Richtung eines Auslasskanals 44a in dem Diffusor 43a ein, wie durch einen Pfeil R4a gezeigt. Die Düse 41b mit großem Durchmesser bläst das Anodengas aus dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation in Richtung eines Auslasskanals 44b in dem Diffusor 43b ein, wie durch einen Pfeil R4b gezeigt.
An den Seitenflächen der Diffusoren 43a bzw. 43b sind Einströmports 45a und 45b angeordnet, die mit der Rücklaufleitung L33 verbunden sind. Die Rücklaufleitung L33 teilt sich von dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 5 aus zweifach und ist mit den Einströmports 45a und 45b verbunden. Das Anodenabgas, das durch die Rücklaufleitung L33 strömt, wird von dem Einlassport 45a aus in den Auslasskanal 44a in dem Diffusor 43a gesaugt, wie durch einen Pfeil R33a gezeigt, indem das Anodengas, das durch die Düse 41a mit kleinem Durchmesser eingeblasen wird, als ein Antriebsfluid verwendet wird. Das Anodengas und das Anodenabgas werden in dem Auslasskanal 44a vermischt und aus einem Auslass 46a zu der Anodenzuleitung L30 abgelassen.
Das Anodenabgas, das durch die Rücklaufleitung L33 strömt, wird von dem Einlassport 45b aus in den Auslasskanal 44b in dem Diffusor 43b gesaugt, wie durch einen Pfeil R33b gezeigt, indem das Anodengas, das durch die Düse 41b mit großem Durchmesser eingeblasen wird, als ein Antriebsfluid verwendet wird. Das Anodengas und das Anodenabgas werden in dem Auslasskanal 44b vermischt und aus einem Auslass 46b zu der Anodenzuleitung L30 abgelassen.
Die Anodenzuleitung L30 teils sich von dem Einlass 11 des Anodengases der FC 1 aus zweifach und ist mit den Auslässen 46a und 46b der Auslasskanäle 44a und 44b verbunden. Das Anodengas und das Anodenabgas, die aus den Auslässen 46a und 46b der Auslasskanäle 44a und 44b abgelassen werden, treten in den Einlass 11 der FC 1 ein, wie durch die Pfeile R31a und R31b gezeigt.
Auf diese Weise saugt der Ejektor 4a mit hoher Zirkulation das Anodenabgas aus dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 5 unter Verwendung des Anodengases aus dem INJ 31 mit hoher Zirkulation als Antriebsfluid und gibt das Anodenabgas und das Anodengas in Richtung der FC 1 so ab, dass das Anodenabgas zu der FC 1 zirkuliert. Des Weiteren saugt der Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation das Anodenabgas aus dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 5 unter Verwendung des Anodengases aus dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation als Antriebsfluid und gibt das Anodenabgas und das Anodengas in Richtung der FC 1 so ab, dass das Anodenabgas zu der FC 1 zirkuliert.
Daher verwendet das Brennstoffzellensystem 100 das von dem INJ 31 mit hoher Zirkulation oder dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation zugeführte Anodengas zum Zirkulieren des Anodenabgases, das von der FC 1 über den Gas-Flüssigkeits-Abscheider 5 und den Ejektor 4a mit hoher Zirkulation oder den Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation abgelassen wird. Der Ejektor 4a mit hoher Zirkulation ist ein Beispiel eines ersten Ejektors, und der Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation ist ein Beispiel eines zweiten Ejektors.
Der Durchmesser Db des Einblasports der Düse 41b mit großem Durchmesser ist größer als der Durchmesser Da des Einblasports der Düse 41a mit kleinem Durchmesser. Daher sind, wie später noch beschrieben wird, die Zirkulationskennlinien des Anodenabgases des Ejektors 4a mit hoher Zirkulation und die Zirkulationskennlinien des Ejektors 4b mit niedriger Zirkulation unterschiedlich. Das Anodenabgas ist ein Beispiel eines Abgases, das aus einer Brennstoffzelle ausgestoßen wird.
Der Drucksensor 15 ist in der Anodenzuleitung L30 angeordnet. Der Drucksensor 15 ist in der Nähe des Einlasses 11 des Anodengases der FC 1 angeordnet und misst den Druck am Einlass 11. Der Drucksensor 15 ist ein Beispiel einer Messvorrichtung, die den Druck misst.
Das Anodengas und das zirkulierte Anodenabgas strömen aus dem Einlass 11 durch den Anodengasströmungspfad L31 und werden zur Stromerzeugung verwendet, wie durch einen Pfeil R31 gezeigt. Ein Ende der Anodenaustragsleitung L32 ist mit dem Auslass 12 des Anodenabgases der FC 1 verbunden, und das andere Ende der Anodenaustragsleitung L32 ist mit dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 5 verbunden. Das verbrauchte Anodengas strömt als das Anodenabgas aus dem Auslass 12 durch die Anodenaustragsleitung L32 und tritt in den Gas-Flüssigkeits-Abscheider 5 ein, wie durch einen Pfeil R32 gezeigt.
Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 5 trennt flüssiges Wasser aus dem Anodenabgas, das aus dem Auslass 12 abgelassen wird, und speichert das flüssige Wasser. Ein Ende der Entwässerungsableitung L35 ist mit dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 5 verbunden, und das andere Ende der Entwässerungsableitung L35 ist mit der Kathodenaustragsleitung L22 verbunden. Das Entwässerungsableitung L35 ist mit dem Anodenauslassventil 6 versehen.
Das Anodenauslassventil 6 ist ein Beispiel eines Auslassventils zum Ablassen des in dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 5 gespeicherten flüssigen Wassers. Wenn das Anodenauslassventil 6 geöffnet wird, so strömen das flüssige Wasser und ein Teil des Anodenabgases, die aus dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 5 strömen, durch die Entwässerungsableitung L35 zu der Kathodenaustragsleitung L22 und werden mit dem Kathodenabgas ins Freie abgelassen, wie durch einen Pfeil R34 gezeigt. Somit kann die ECU 70 das flüssige Wasser aus dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 5 ablassen, indem sie das Öffnen/Schließen des Anodenauslassventils 6 steuert.
Der Gaspedalbetätigungsbetragssensor 71 detektiert den Betätigungsbetrag eines Gaspedals (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenfahrzeugs und meldet der ECU 70 den detektierten Betätigungsbetrag.
Die ECU 70 umfasst eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen Nurlesespeicher (ROM) und einen Direktzugriffsspeicher (RAM). Der Drucksensor 15, der Gaspedalbetätigungsbetragssensor 71, der Luftkompressor 20, der INJ 31 mit hoher Zirkulation, der INJ 32 mit niedriger Zirkulation und das Anodenauslassventil 6 sind elektrisch mit der ECU 70 verbunden. Die ECU 70 steuert zum Beispiel den Betrieb des Luftkompressors 20, das Ein- und Ausschalten des INJ 31 mit hoher Zirkulation und des INJ 32 mit niedriger Zirkulation 32 sowie das Öffnen und Schließen des Anodenauslassventils 6.
Die ECU 70 führt die Zufuhr des Anodengases aus, indem sie zum Beispiel eine Ein/Aus-Steuerung des INJ 31 mit hoher Zirkulation oder des INJ 32 mit niedriger Zirkulation auf der Grundlage der für die FC 1 benötigten elektrischen Leistung (im Folgenden als „erforderliche Leistung“ bezeichnet) durchführt. Die erforderliche Leistung wird zum Beispiel auf der Grundlage des Detektionswertes des Gaspedalbetätigungsbetragssensors 71 bestimmt. Die ECU 70 führt die Ein/Aus-Steuerung des INJ 31 mit hoher Zirkulation durch, wenn die erforderliche Leistung niedriger als eine Schwelle ist, und führt die Ein/Aus-Steuerung des INJ 32 mit niedriger Zirkulation durch, wenn die erforderliche Leistung mindestens so groß wie die Schwelle ist.
Die ECU 70 führt die Ein/Aus-Steuerung durch, indem sie den Zyklus und die Impulsbreite des PWM-Signals bestimmt. Die Impulsbreite des PWM-Signals entspricht der Ein-Zeit, während welcher der INJ 31 mit hoher Zirkulation und der INJ 32 mit niedriger Zirkulation das Anodengas weiter zuzuführen, das heißt, der Einblaszeit des Anodengases, und der Zyklus des PWM-Signals entspricht dem Zufuhrzyklus, in dem der INJ 31 mit hoher Zirkulation und der INJ 32 mit niedriger Zirkulation das Anodengas zuzuführen. Die verbleibende Zeit, die durch Subtrahieren der Ein-Zeit von dem Zyklus erhalten wird, entspricht der Aus-Zeit, während welcher der INJ 31 mit hoher Zirkulation und der INJ 32 mit niedriger Zirkulation 32 die Zufuhr des Anodengases stoppen.
Der INJ 31 mit hoher Zirkulation und der INJ 32 mit niedriger Zirkulation weisen die gleiche Anodengaszufuhrkennlinie auf. Zum Beispiel bewirken der INJ 31 mit hoher Zirkulation und der INJ 32 mit niedriger Zirkulation, dass während einer zuvor festgelegten Ein-Zeit die gleichen Zufuhrbeträge des Anodengases zu dem Ejektor 4a mit hoher Zirkulation bzw. zu dem Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation strömen.
Da jedoch die Größen des Durchmessers Da der Düse 41a mit kleinem Durchmesser des Ejektors 4a mit hoher Zirkulation und des Durchmessers Db der Düse 41b mit großem Durchmesser des Ejektors 4b mit niedriger Zirkulation unterschiedlich sind, sind auch die Zirkulationskennlinien des Anodenabgases unter Verwendung des Ejektors 4a mit hoher Zirkulation und des Ejektors 4b mit niedriger Zirkulation unterschiedlich.
Zirkulationskennlinie des Ejektors 4a mit hoher Zirkulation und des Ejektors 4b mit niedriger Zirkulation
2 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Zirkulationskennlinie des Anodenabgases unter Verwendung des Ejektors 4a mit hoher Zirkulation und des Ejektors 4b mit niedriger Zirkulation zeigt. Die horizontale Achse stellt den Zufuhrbetrag des Anodengases aus dem INJ 31 mit hoher Zirkulation und dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation pro Zeiteinheit dar, und die vertikale Achse stellt den Zirkulationsbetrag des Anodenabgases unter Verwendung des Ejektors 4a mit hoher Zirkulation und des Ejektors 4b mit niedriger Zirkulation dar. Hier ist der Zirkulationsbetrag des Anodenabgases eine Strömungsrate des Anodenabgases, das von den Einlassports 45a und 45b angesaugt wird, pro Zeiteinheit unter Verwendung des Anodengases, das durch die Diffusoren als ein Antriebsfluid strömt.
Ein Bezugssymbol La zeigt die Zirkulationskennlinie des Ejektors 4a mit hoher Zirkulation an, und ein Bezugssymbol Lb zeigt die Zirkulationskennlinie des Ejektors 4b mit niedriger Zirkulation an. Der Zufuhrbetrag des Ejektors 4a mit hoher Zirkulation liegt im Bereich von null bis Xa, und der Zufuhrbetrag des Ejektors 4b mit niedriger Zirkulation liegt im Bereich von null bis Xb. Es ist zu beachten, dass Xb dem maximal benötigten Leistung der FC 1 entspricht. Der Zirkulationsbetrag des Ejektors 4a mit hoher Zirkulation bei dem Zufuhrbetrag Xa wird auf Ya eingestellt, und der Zirkulationsbetrag des Ejektors 4b mit niedriger Zirkulation bei dem Zufuhrbetrag Xb wird auf Yb (> Ya) eingestellt.
Der Zirkulationsbetrag des Anodenabgases ist proportional zu dem Zufuhrbetrag des Anodengases. Die Neigung der Zirkulationskennlinie, die durch das Bezugssymbol La angezeigt wird, ist größer als die Neigung der Zirkulationskennlinie, die durch das Bezugssymbol Lb angezeigt wird. Daher ist zum Beispiel für den Fall eines Zufuhrbetrages von Xa der Zirkulationsbetrag Yc des Ejektors 4b mit niedriger Zirkulation kleiner als der Zirkulationsbetrag Ya des Ejektors 4a mit hoher Zirkulation.
Wie oben beschrieben, ist der Zirkulationsbetrag des Anodenabgases, das durch die Zufuhr eines zuvor festgelegten Betrages des Anodengases von dem Ejektor 4a mit hoher Zirkulation zu der FC 1 aus zirkuliert, größer als der Zirkulationsbetrag des Anodenabgases, das durch die Zufuhr des zuvor festgelegten Betrages des Anodengases von dem Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation zu der FC 1 zirkuliert.
Ein/Aus-Steuerung von INJ 31 mit hoher Zirkulation und INJ 32 mit niedriger Zirkulation im Normalzustand
3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Ein/Aus-Steuerung des INJ 31 mit hoher Zirkulation und des INJ 32 mit niedriger Zirkulation in einem normalen Zustand zeigt. Dieses Beispiel zeigt den Fall, dass kein Fehler in dem Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation aufgetreten ist und die Ein/Aus-Steuerung des INJ 31 mit hoher Zirkulation und des INJ 32 mit niedriger Zirkulation auf der Grundlage der erforderlichen Leistung der FC 1 durchgeführt wird.
Ein Bezugssymbol Ga zeigt eine zeitliche Änderung des Ausstoßbetrages des Anodengases aus dem Ejektor 4a mit hoher Zirkulation auf der Grundlage der Ein/Aus-Steuerung des INJ 31 mit hoher Zirkulation an. Ein Bezugssymbol Gb zeigt eine zeitliche Änderung des Ausstoßbetrages des Anodengases aus dem Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation auf der Grundlage der Ein/Aus-Steuerung des INJ 32 mit niedriger Zirkulation an. Die gestrichelten Linien zeigen die zeitlichen Änderungen des Drucks am Einlass 11 der FC 1 aufgrund des Ablassens des Anodengases.
Die ECU 70 führt die Zufuhr des Anodengases aus dem INJ 31 mit hoher Zirkulation oder dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation aus. Die ECU 70 führt die Zufuhr aus dem INJ 31 mit hoher Zirkulation während der Ein-Zeit Ton a in jedem Zufuhrzyklus T aus oder führt die Zufuhr aus dem Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation während der Ein-Zeit Ton_b in jedem Zufuhrzyklus T aus. Das aus dem INJ 31 mit hoher Zirkulation oder aus dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation zugeführte Anodengas wird aus dem Ejektor 4a mit hoher Zirkulation oder aus dem Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation an den FC 1 abgelassen. Die ECU 70 berechnet den Zufuhrzyklus T und die Ein-Zeiten Ton_a und Ton_b auf der Grundlage der erforderlichen Leistung der FC 1.
Der Druck steigt jedes Mal, wenn das Anodengas aus dem INJ 31 mit hoher Zirkulation und dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation ausgestoßen wird. Aufgrund des Unterschiedes zwischen den Durchmessern Db und Da der Düse 41b mit großem Durchmesser und der Düse 41a mit kleinem Durchmesser ist der Ausstoßbetrag Ma des Anodengases aus dem Ejektor 4a mit hoher Zirkulation pro Zeiteinheit kleiner als der Ausstoßbetrag Mb des Anodengases aus dem Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation pro Zeiteinheit.
In Anbetracht dessen stellt die ECU 70 die Ein-Zeit Ton_b des INJ 32 mit niedriger Zirkulation kürzer ein als die Ein-Zeit Ton_a des INJ 31 mit hoher Zirkulation, um den Ziel-Mindestwert (im Folgenden als „Zielwert“ bezeichnet) Po des Drucks am Einlass 11 des Anodengases der FC 1 aufrechtzuerhalten. Dadurch wird verhindert, dass ein zu großer Anodengasbetrag in Bezug auf den Zufuhrbetrag auf der Grundlage des Zielwertes Po des Drucks ausgestoßen wird.
Operation des Ausstoßes des Ejektors 4a mit hoher Zirkulation im anormalen Zustand
Wenn das Ausstoßen des Anodengases aus dem Ejektor 4a mit hoher Zirkulation in einem anormalen Zustand ist, so stoppt die ECU 70 die Zufuhr des Anodengases aus dem INJ 31 mit hoher Zirkulation und startet die Zufuhr des Anodengases aus dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation anstelle des INJ 31 mit hoher Zirkulation. Wie oben beschrieben, weisen der Ejektor 4a mit hoher Zirkulation und der Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation unterschiedliche Zufuhrbeträge und unterschiedliche Zirkulationskennlinien auf, obgleich die Zufuhrbeträge des Anodengases die gleichen sind. Daher bestimmt die ECU 70 den Zieldruck am Einlass 11 der FC 1, den Zufuhrzyklus und die Ein-Zeit für den Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation so, dass die Zirkulationskennlinien, die im Wesentlichen die gleichen sind wie die des Ejektors 4a mit hoher Zirkulation, erhalten werden, während eine übermäßige Zufuhr des Anodengases vermieden wird.
4 ist ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel einer Operation des Zuführens des Anodengases aus dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation anstelle des INJ 31 mit hoher Zirkulation zeigt. 4 zeigt ein Beispiel der zeitlichen Änderungen eines Drucks P am Einlass 11 des Anodengases der FC 1, der PWM-Signale VH und VL, die in den INJ 31 mit hoher Zirkulation bzw. den INJ 32 mit niedriger Zirkulation eingespeist werden, eines Gasströmungsrate Fsup des Anodengases, das von dem Ejektor 4a mit hoher Zirkulation oder dem Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation zu der FC 1 ausgestoßen wird, eines Öffnungs-/Schließsignals EX des Anodenauslassventils 6 und einer Zirkulationsströmungsrate Fcir des Anodenabgases.
Ein Zeitraum T1 ist ein Zeitraum, in dem von dem INJ 31 mit hoher Zirkulation und dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation die Ein/Aus-Steuerung nur in dem INJ 31 mit hoher Zirkulation durchgeführt wird. Ein Zeitraum T2 ist ein Zeitraum, in dem von dem INJ 31 mit hoher Zirkulation und dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation die Ein/Aus-Steuerung nur für den INJ 32 mit niedriger Zirkulation durchgeführt wird. Wenn die ECU 70 eine Anomalie beim Ausstoßen des Anodengases aus dem Ejektor 4a mit hoher Zirkulation auf der Grundlage des durch den Drucksensor 15 im Zeitraum T1 gemessenen Drucks P detektiert, so startet die ECU 70 die Ein/Aus-Steuerung für den Zeitraum T2.
In dem Zeitraum T1 führt die ECU 70 die Zufuhr aus dem INJ 31 mit hoher Zirkulation während der Ein-Zeit Ton_H in jedem Zufuhrzyklus Tf_H so aus, dass der Druck P den Zielwert PL annimmt. Die ECU 70 bestimmt den Zufuhrzyklus Tf_H und die Ein-Zeit Ton_H auf der Grundlage des Zielwertes PL. Infolge dessen wird das PWM-Signal VH nur während der Ein-Zeit Ton_H in jedem Zufuhrzyklus Tf_H eingeschaltet. Der Zielwert PL ist ein Beispiel eines ersten Zielwertes, der Zufuhrzyklus Tf_H ist ein Beispiel eines ersten Zyklus und die Ein-Zeit Ton_H ist ein Beispiel einer ersten Zeit.
Die Strömungsrate Fsup des Anodengases aus dem INJ 31 mit hoher Zirkulation wird nur während der Ein-Zeit Ton_H in jedem Zufuhrzyklus Tf_H auf einen vorgegebenen Wert eingestellt. Infolge dessen steigt der Druck P am Einlass 11 des Anodengases der FC 1 proportional zur Zeit. Wenn die Zufuhr des Anodengases aus dem INJ 31 mit hoher Zirkulation gestoppt wird, so sinkt der Druck P. Infolge dessen sinkt der Druck P von dem Maximalwert PU im Lauf der Zeit. Wenn der Druck P den Zielwert PL erreicht, so wird die Zufuhr des Anodengases im nächsten Zufuhrzyklus Tf_H ausgeführt. Daher kommt es in jedem Zufuhrzyklus Tf_H zu einer Druckpulsation, wodurch sich das flüssige Wasser in dem Anodengasströmungspfad L31 und in der Anodenaustragsleitung L32 in dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 5 sammelt.
Wie die Strömungsrate Fsup des Anodengases steigt und sinkt, so steigt und sinkt auch die Zirkulationsströmungsrate Fcir des Anodenabgases. Die Zirkulationsströmungsrate Fcir des Anodenabgases nimmt auch dann weiter ab, nachdem die Strömungsrate Fsup des Anodengases null geworden ist.
Die ECU 70 wiederholt die Zufuhr des Anodengases aus dem INJ 31 mit hoher Zirkulation zum Beispiel eine zuvor festgelegte Anzahl von Malen. Die ECU 70 bestimmt jedes Mal, wenn die Zufuhr des Anodengases ausgeführt wird, die Normalität des Ausstoßes des Anodengases aus dem Ejektor 4a mit hoher Zirkulation. Wenn die ECU 70 detektiert, dass der Druck P während der Ein-Zeit Ton H des INJ 31 mit hoher Zirkulation nicht ansteigt, so bestimmt die ECU 70, dass sich der Ausstoß des Anodengases aus dem Ejektor 4a mit hoher Zirkulation in einem anormalen Zustand befindet. Da in diesem Beispiel der Druck P am Zeitpunkt Tdet während der Ein-Zeit Ton_H des INJ 31 mit hoher Zirkulation abnimmt, wird bestimmt, dass sich der Ausstoß des Anodengases in einem anormalen Zustand befindet.
Ursachen für einen anormalen Ausstoß des Anodengases aus dem Ejektor 4a mit hoher Zirkulation sind zum Beispiel eine Verstopfung in der Düse 41a mit kleinem Durchmesser oder in dem Auslasskanal 44a aufgrund von gefrorenem Wasser, was durch Temperaturabfall verursacht wird, und ein Ausfall des INJ 31 mit hoher Zirkulation. Die Ursachen dafür sind jedoch nicht darauf beschränkt.
In dem Zeitraum T2 ändert die ECU 70 den Zielwert des Drucks P von dem Zielwert PL in dem Zeitraum T1 zu einem neuen Zielwert PH. Der Zielwert PH in dem Zeitraum T2 ist höher als der Zielwert PL in dem Zeitraum T1. Die Steuervorrichtung 70 öffnet und schließt das Anodenauslassventil 6 in jedem Zufuhrzyklus Tf_H in dem Zeitraum T1 und führt die folgende Ein/Aus-Steuerung des INJ 32 mit niedriger Zirkulation in jedem Zufuhrzyklus Tf_H aus. Der Zielwert PH ist ein Beispiel eines zweiten Zielwertes.
Die ECU 70 führt die Zufuhr des Anodengases aus dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation während der Ein-Zeit Ton_L in jedem Zufuhrzyklus Tf_L so aus, dass der Druck P den Zielwert PH annimmt. Der Zufuhrzyklus Tf L in dem Zeitraum T2 ist kürzer als der Zufuhrzyklus Tf_H in dem Zeitraum T1, und die Ein-Zeit Ton_L in dem Zeitraum T2 ist kürzer als die Ein-Zeit Ton_H in dem Zeitraum T1. Die ECU 70 gibt das PWM-Signal VL, das dem Zufuhrzyklus Tf_L und der Ein-Zeit Ton_L entspricht, an den INJ 32 mit niedriger Zirkulation aus. Der Zufuhrzyklus Tf_L ist ein Beispiel eines zweiten Zyklus, und die Ein-Zeit Ton_L ist ein Beispiel einer zweiten Zeit.
Infolge dessen führt der INJ 32 mit niedriger Zirkulation die Zufuhr des Anodengases während eines kürzeren Zeitraums in einem kürzeren Zyklus aus als die Zufuhr des Anodengases durch den INJ 31 mit hoher Zirkulation, so dass der Druck P am Einlass 11 des Anodengases der FC 1 vom Zielwert PL auf den Zielwert PH ansteigt. Die Strömungsrate Fsup des Anodengases, das aus dem Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation ausgestoßen wird, steigt und sinkt in Abhängigkeit von dem PWM-Signal VL.
Dementsprechend wird die Verringerung des Zirkulationsbetrages des Anodenabgases unter Verwendung des Ejektors 4b mit geringer Zirkulation durch Erhöhen des Drucks P des Anodengases und der Zufuhrfrequenz vermieden. Daher kann selbst dann, wenn der Ejektor 4b mit niedriger Zirkulationskennlinie verwendet wird, die durchschnittliche Zirkulationsströmungsrate Fcir des Anodenabgases ähnlich der in dem Zeitraum T1 beibehalten werden, und somit kann das flüssige Wasser in dem Anodengasströmungspfad L31 und in der Anodenaustragsleitung L32 in dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 5 gesammelt werden.
Hier ist der Zufuhrzyklus Tf L kürzer als die Zeit, während der die Zirkulationsströmung des Anodenabgases, das durch die Zufuhr des Anodengases aus dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation erzeugt wird, fortgesetzt wird. Somit kann die Zirkulationsströmung des Anodenabgases innerhalb des Zufuhrzyklus Tf_L erhöht werden, wie unten beschrieben.
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Zyklus der Ein/Aus-Steuerung des INJ 32 mit niedriger Zirkulation zeigt. 5 zeigt ein Beispiel für zeitliche Änderungen des PWM-Signals VL, das in den INJ 32 mit niedriger Zirkulation eingespeist wird, der Strömungsrate Fsup des Anodengases, das aus dem Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation in die FC 1 ausgestoßen wird, der Zirkulationsströmungsrate Fcir des Anodenabgases und der Wasserstoffkonzentration in dem Anodenabgas, das in den Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation gesaugt wird. Hier wird angenommen, dass das Anodengas Wasserstoffgas ist.
Der INJ 32 mit niedriger Zirkulation stößt das Anodengas in jedem Zufuhrzyklus Tf_L auf der Grundlage des PWM-Signals VL aus. Dadurch erhöht und verringert sich die Strömungsrate Fsup des Anodengases in jedem Zufuhrzyklus Tf_L.
Die Zirkulationsströmungsrate Fcir des Anodenabgases steigt mit der Erhöhung der Strömungsrate Fsup des Anodengases und nimmt selbst dann noch in gewissem Umfang ab, nachdem die Strömungsrate Fsup des Anodengases null geworden ist. Die Wasserstoffkonzentration in dem Anodenabgas steigt ebenfalls von einem Wert n mit der Erhöhung der Strömungsrate Fsup des Anodengases an und kehrt nicht sofort zu dem Wert n zurück, sondern nimmt allmählich ab, selbst nachdem die Strömungsrate Fsup des Anodengases null geworden ist. Es ist zu beachten, dass der Zeitraum, während dem die Zirkulationsströmung des Anodengases fortgesetzt wird, als ein Zeitraum Tcir bezeichnet wird.
In diesem Beispiel ist der Zufuhrzyklus Tf_L länger als der Zeitraum Tcir. Daher steigt die Zirkulationsströmungsrate Fcir des Anodenabgases in jedem Zufuhrzyklus Tf_L einmal an, sinkt dann aber auf null und kehrt in den Zustand vor der Erhöhung zurück. Außerdem steigt die Wasserstoffkonzentration in dem Anodenabgas einmal an, sinkt dann aber auf den Wert n und kehrt in den Zustand vor der Erhöhung zurück.
6 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel eines Zyklus der Ein/Aus-Steuerung des INJ 32 mit niedriger Zirkulation zeigt. In 6 wird auf eine Beschreibung eines ähnlichen Inhalts wie in 5 verzichtet.
In diesem Beispiel ist der Zufuhrzyklus Tf_L kürzer als der Zeitraum Tcir. Daher wird die Zirkulationsströmung des Anodenabgases nicht jedes Mal, wenn der Zufuhrzyklus Tf_L endet, zu null. Daher steigt der Anfangswert der Zirkulationsströmungsrate Fcir des Anodenabgases in jedem Zufuhrzyklus Tf_L an, wie durch eine gestrichelte Linie Bf angezeigt.
Des Weiteren kehrt die Wasserstoffkonzentration in dem Anodenabgas nicht jedes Mal, wenn der Zufuhrzyklus Tf_L endet, zum Wert n zurück. Daher steigt der Anfangswert der Wasserstoffkonzentration des Anodenabgases in jedem Zufuhrzyklus Tf_L an, wie durch eine gestrichelte Linie Bd angezeigt.
Infolge dessen wird der Zirkulationsbetrag des Anodenabgases in dem Zeitraum T2 im zeitlichen Durchschnitt in dem Zeitraum T1 auf einem ähnlichen Zirkulationsbetrag gehalten.
Des Weiteren steigt die Konzentration des Wasserstoffgases in dem Anodenabgas ebenfalls mit der Erhöhung des Drucks P von dem Zielwert PL auf den Zielwert PH.
7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel von Änderungen der Konzentration des Anodenabgases aufgrund von Änderungen des Drucks P zeigt. Als ein Beispiel steigt der Druck P am Zeitpunkt Tc von dem Zielwert PL auf den Zielwert PH.
Ein Bezugssymbol Ha zeigt das Verhältnis der Konzentration jeder Gasart in dem Anodenabgas an, wenn der Druck P der Zielwert PL ist, und ein Bezugssymbol Hb zeigt das Verhältnis der Konzentration jeder Gasart in dem Anodenabgas an, wenn der Druck P der Zielwert PH ist. Das Anodenabgas enthält Wasserstoffgas, das nicht zur Stromerzeugung verwendet wird, Wasserdampf, der bei der Stromerzeugung entsteht, und Stickstoffgas als eine Verunreinigung.
Wenn der Druck P von dem Zielwert PL auf den Zielwert PH ansteigt, so erhöht sich die Konzentration des Wasserstoffgases, wie durch das Bezugssymbol Hb angedeutet. Da das spezifische Gewicht des Wasserstoffgases kleiner ist als das des Wasserdampfs und des Stickstoffgases, verringert sich das Gewicht des Anodenabgases, das durch den Einströmport 45b in den Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation gesaugt wird.
In dem Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation ist die Summe des Impulses (= Gewicht × Geschwindigkeit) des Anodenabgases, das von dem Einströmport 45b strömt, und des Impulses des Anodengases, das aus der Düse 41b mit großem Durchmesser eingeblasen wird, gemäß dem Impulserhaltungssatz gleich dem Impuls des Anodengases und des Anodenabgases, das aus dem Auslass 46b des Auslasskanals 44b ausgestoßen wird. Wenn also das Gewicht des Anodenabgases, das von dem Einlassport 45b in den Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation gesaugt wird, abnimmt, so steigt die Strömungsgeschwindigkeit des Anodenabgases. Daher erhöht sich die Volumenströmungsrate des Anodenabgases, das aus dem Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation zu der FC 1 zirkuliert.
Wir kehren zu 4 zurück. In dem Zeitraum T2 wird der Druck P mit hoher Genauigkeit auf dem Zielwert PH gehalten, wobei die Zufuhr des Anodengases mit hoher Frequenz und in einem kurzen Zeitraum im Vergleich zum Zeitraum T1 erfolgt. Dadurch wird ein übermäßiger Anstieg des Drucks des Anodengases vermieden, und es wird eine übermäßige Zufuhr des Anodengases vermieden.
Die ECU 70 öffnet/schließt das Anodenauslassventil 6 im selben Zufuhrzyklus Tf_H wie dem für die Zufuhr des Anodengases durch die INJ 31 mit hoher Zirkulation. Die ECU 70 schaltet das Öffnungs-/Schließsignal EX des Anodenauslassventils 6 in jedem Zufuhrzyklus Tf_H auf Ein (offen) und Aus (geschlossen).
Daher kann der Druck P in jedem Zufuhrzyklus Tf_H von dem Zielwert PH aus reduziert werden, und selbst wenn der Druck P auf dem Zielwert PH gehalten wird, werden die Entwässerungseigenschaften durch die Druckpulsation des Anodengases aufrechterhalten, wie für den Fall, dass das Anodengas in dem Zeitraum T1 durch den INJ 31 mit hoher Zirkulation zugeführt wird. Wenn das Anodenauslassventil 6 nicht geöffnet/geschlossen wird, so tritt die Druckpulsation nicht auf, da der Druck P im Wesentlichen in der Nähe des Zielwertes PH gehalten wird. Die ECU 70 bestimmt die Zeit Tex, um das Anodenauslassventil 6 im geöffneten Zustand zu halten, so dass der Druck P zum Beispiel auf den Zielwert PL des Zeitraums T1 sinkt.
8 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel des Ablassens des flüssigen Wassers zeigt. Wie durch ein Bezugssymbol Wa angedeutet, kann, wenn die Anodenaustragsleitung L32 mit dem durch die Stromerzeugung erzeugten flüssigen Wasser 81 verstopft ist, die Differenz ΔP zwischen den Drücken des flüssigen Wassers 81 auf der Anströmseite und der Abströmseite zum Entfernen des flüssigen Wassers 81 verwendet werden. Somit wird das flüssige Wasser 81 durch die Druckpulsation, wie oben beschrieben, entfernt.
Wenn das durch die Stromerzeugung erzeugte flüssige Wasser 83 an der Innenwand der Anodenaustragsleitung L32 anhaftet, so kann des Weiteren das flüssige Wasser 83 durch die Scherkraft, die durch die Strömung des Anodenabgases erzeugt wird, entfernt werden, wie durch das Bezugssymbol Wb gezeigt. Dadurch wird der Zirkulationsbetrag des Anodenabgases aufrechterhalten, wie oben beschrieben, und das flüssige Wasser 83 wird durch die Druckpulsation entfernt.
Daher kann das Brennstoffzellensystem die Gaszufuhr unter Verwendung des Ejektors 4a mit hoher Zirkulation durch die Gaszufuhr unter Verwendung des Ejektors 4b mit niedriger Zirkulation ersetzen, während eine übermäßige Gaszufuhr und eine Verschlechterung der Entwässerungseigenschaften vermieden werden.
Wir kehren zu 4 zurück. Die ECU 70 öffnet das Anodenauslassventil 6, nachdem sie die mehrfachen Zuführungen aus dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation in jedem Zufuhrzyklus Tf L durchgeführt hat, und schließt das Anodenauslassventil 6, wenn der Druck P maximal so groß wird wie der Zielwert PL in dem Zeitraum T1. Somit wird der Mindestwert des Drucks P in dem Zeitraum T2 auf dem Zielwert PL in dem Zeitraum T1 gehalten. Dementsprechend kann die Breite der Druckpulsation in dem Zeitraum T2 näher an die Breite der Druckpulsation in dem Zeitraum T1 herangeführt werden, was die Entwässerungseigenschaften weiter verbessert.
Wenn der Druck P nach der Zufuhr aus dem INJ 31 mit hoher Zirkulation in dem Zeitraum T1 unter den Zielwert PL fällt, so führt die ECU 70 die Zufuhr aus dem INJ 31 mit hoher Zirkulation erneut aus. Wenn des Weiteren der Druck P nach der Zufuhr aus dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation in dem Zeitraum T2 unter den Zielwert PH fällt, so führt die ECU 70 die Zufuhr aus dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation erneut aus.
Genauer gesagt, bestimmt die ECU 70 die Zufuhrzyklen Tf_H und Tf_L und die Ein-Zeiten Ton_H und Ton_L so, dass die Zufuhr wie oben beschrieben durchgeführt wird. Daher können der INJ 31 mit hoher Zirkulation und der INJ 32 mit niedriger Zirkulation den Druck P durch wiederholtes Zuführen des Anodengases über die Zielwerte PL und PH hinaus anheben.
Der Zielwert PH in dem Zeitraum T2 ist kleiner als der Maximalwert PU des Drucks P während der Ausführung des Zuführens aus dem INJ 31 mit hoher Zirkulation, das heißt in dem Zeitraum T1. Mit anderen Worten: der Zielwert PH in dem Zeitraum T2 wird durch die Zufuhr des Anodengases aus dem INJ 31 mit hoher Zirkulation in dem Zeitraum T1 auf niedriger als der Maximalwert PU des Drucks P eingestellt. Daher wird die übermäßige Zufuhr des Anodengases effektiver vermieden.
Wenn sich der Ausstoß des Anodengases aus dem Ejektor 4a mit hoher Zirkulation in einem anormalen Zustand befindet, oder wenn das Anodenauslassventil 6 geschlossen ist, so hält die ECU 70 die Zufuhr aus dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation aufrecht, bis der Druck P den Zielwert PH annimmt. Zum Beispiel führt die ECU 70 die Zufuhr des Anodengases aus dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation während der Ein-Zeit Ton_p am Detektionszeitpunkt Tdet der Anomalie beim Ausstoßen des Anodengases aus dem Ejektor 4a mit hoher Zirkulation aus. Des Weiteren führt die ECU 70 in dem Zeitraum T2 das Anodengas aus dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation während der Ein-Zeit Ton_q nach dem Öffnen und Schließen des Anodenauslassventils 6 zu. Dabei sind die Ein-Zeiten Ton_p und Ton_q erforderliche Zeiten, damit der Druck P den Zielwert PH annehmen kann.
Daher kann die ECU 70 den Druck P rasch auf den Zielwert PH erhöhen - im Gegensatz zu dem Fall, dass die Zufuhr des Anodengases mehrere Male ausgeführt wird, bis der Druck P den Zielwert PH annimmt.
Funktionsweise der ECU 70
Als Nächstes wird die Funktionsweise der ECU 70 beschrieben. Die ECU 70 wird durch die CPU in der ECU 70 betrieben, die ein Programm ausführt, das zum Beispiel in dem ROM in der ECU 70 gespeichert ist.
9 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Betriebes der ECU 70 zeigt. In diesem Prozess wird angenommen, dass die ECU 70 den Luftkompressor 20 betreibt. Die ECU 70 berechnet die erforderliche Leistung der FC 1 zum Beispiel auf der Grundlage des Detektionswertes des Gaspedalbetätigungsbetragssensors 71 (Schritt St1).
Wenn die erforderliche Leistung mindestens so hoch ist wie eine zuvor festgelegte Schwelle TH (Nein in Schritt St2), so berechnet die ECU 70 den Zielwert des Drucks P auf der Grundlage der erforderlichen Leistung (Schritt St10). Als Nächstes berechnet die ECU 70 den Zufuhrzyklus und die Ein-Zeit für die Zufuhr des Anodengases aus dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation (Schritt St11). Anschließend führt die ECU 70 die Ein/Aus-Steuerung des INJ 32 mit niedriger Zirkulation auf der Grundlage des Zufuhrzyklus und der Ein-Zeit durch (Schritt St12). Dementsprechend wird die FC 1, wenn die benötigte Leistung der FC 1 hoch ist, mit dem Anodengas aus dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation über den Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation beschickt.
Wenn die erforderliche Leistung niedriger ist als die zuvor festgelegte Schwelle TH (Ja in Schritt St2), so berechnet die ECU 70 den Zielwert PL des Drucks P auf der Grundlage der erforderlichen Leistung (Schritt St3). Als Nächstes berechnet die ECU 70 den Zufuhrzyklus Tf_H und die Ein-Zeit Ton_H für die Ausführung des Zuführens des Anodengases aus dem INJ 31 mit hoher Zirkulation so, dass der Druck P den Zielwert PL annimmt (Schritt St4). Die folgenden Schritte St5 bis St8 entsprechen der Ein/Aus-Steuerung in dem Zeitraum T1 in 4.
Die ECU 70 schaltet den INJ 31 mit hoher Zirkulation während der Ein-Zeit Ton_H auf der Grundlage des PWM-Signals VH ein (Schritt St5). Dementsprechend wird das Anodengas aus dem INJ 31 mit hoher Zirkulation über den Ejektor 4a mit hoher Zirkulation der FC 1 zugeführt. Der Druck P am Einlass steigt durch die Zufuhr des Anodengases an.
Als Nächstes bestimmt die ECU 70, ob das Ausstoßen des Anodengases aus dem Ejektor 4a mit hoher Zirkulation in einem normalen Zustand ist (Schritt St6). Diese Bestimmung wird zu einem Zeitpunkt ausgeführt, während der INJ 31 mit hoher Zirkulation Ein ist. Der Inhalt des Bestimmungsprozesses wird später beschrieben.
Wenn das Ausstoßen des Anodengases aus dem Ejektor 4a mit hoher Zirkulation in einem normalen Zustand ist (Ja in Schritt St6), so schaltet die ECU 70 den INJ 31 mit hoher Zirkulation Aus (Schritt St7). Zu diesem Zeitpunkt schaltet die ECU 70 den INJ 31 mit hoher Zirkulation während der verbleibenden Zeit nach dem Subtrahieren der Ein-Zeit Ton_H von dem Zufuhrzyklus Tf_H Aus. Dementsprechend wird die Ein/Aus-Steuerung des INJ 31 mit hoher Zirkulation in jedem Zufuhrzyklus Tf_H ausgeführt.
Als Nächstes bestimmt die ECU 70, ob die Ein/Aus-Steuerung des INJ 31 mit hoher Zirkulation gestoppt werden soll (Schritt St8). Zum Beispiel bestimmt die ECU 70, die Ein/Aus-Steuerung zu stoppen, wenn die Zufuhr des Anodengases, das heißt das Einblasen des Anodengases, aus dem INJ 31 mit hoher Zirkulation eine zuvor festgelegte Anzahl von Malen durchgeführt wurde. Wenn die ECU 70 die Ein/Aus-Steuerung fortsetzt (Nein in Schritt St8), so werden die Prozesse von Schritt St5 danach erneut ausgeführt.
Beim Stoppen der Ein/Aus-Steuerung (Ja in Schritt St8) bestimmt die ECU 70, ob die Stromerzeugung der FC 1 gestoppt werden soll (Schritt St9). Die ECU 70 stoppt die Stromerzeugung, wenn zum Beispiel ein Zündschalter (nicht gezeigt) ausgeschaltet wird. Wenn die Stromerzeugung fortgesetzt wird (Nein in Schritt St9), so werden die Prozesse von Schritt St1 danach erneut ausgeführt. Wenn die Stromerzeugung gestoppt wird (Ja in Schritt St9), so beendet die ECU 70 die Operation.
Wenn das Ausstoßen des Anodengases aus dem Ejektor 4a mit hoher Zirkulation in einem anormalen Zustand ist (Nein in Schritt St6), so stoppt die ECU 70 die Ein/AusSteuerung des INJ 31 mit hoher Zirkulation (Schritt St13). Als Nächstes führt die ECU 70 die Ein/Aus-Steuerung (alternative Steuerung) des INJ 32 mit niedriger Zirkulation anstelle des INJ 31 mit hoher Zirkulation aus (Schritt St14). Die alternative Ansteuerung wird später beschrieben.
Als Nächstes wird der Prozess von Schritt St9 ausgeführt. Die ECU 70 arbeitet auf diese Weise.
10 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Ausstoßnormalitätsbestimmungsprozesses des Ejektors 4a mit hoher Zirkulation zeigt. Dieser Prozess wird in dem oben beschriebenen Schritt St6 ausgeführt.
Die ECU 70 detektiert den Druck P mehrmals durch den Drucksensor 15 (Schritt St21). Als Nächstes bestimmt die ECU 70 anhand der Änderungen des Drucks P, ob der Druck P ansteigt (Schritt St22). Wenn der Druck P ansteigt (Ja in Schritt St22), so bestimmt die ECU 70, dass sich der Ausstoß des Ejektors 4a mit hoher Zirkulation in einem normalen Zustand befindet (Schritt St23).
Wenn sich der Druck P nicht ändert oder wenn er abnimmt (Nein in Schritt St22), so bestimmt die ECU 70, dass sich der Ausstoß aus dem Ejektor 4a mit hoher Zirkulation in einem anormalen Zustand befindet (Schritt St24). Mit anderen Worten: die ECU 70 bestimmt, dass das Anodengas nicht normal aus dem Ejektor 4a mit hoher Zirkulation ausgestoßen wird, wenn der Druck P am Einlass 11 der FC 1 nicht ansteigt, selbst wenn die Zufuhr des Anodengases aus dem INJ 31 mit hoher Zirkulation ausgeführt wird.
Wie oben beschrieben, bestimmt die ECU 70, wenn die Zufuhr aus dem INJ 31 mit hoher Zirkulation ausgeführt wird, anhand des durch den Drucksensor 15 gemessenen Drucks P, ob sich der Ausstoß des Anodengases aus dem Ejektor 4a mit hoher Zirkulation in einem anormalen Zustand befindet. Daher kann die ECU 70 ohne Weiteres bestimmen, ob sich der Ausstoß des Anodengases in einem anormalen Zustand befindet.
11 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel der Ein/Aus-Steuerung des INJ 32 mit niedriger Zirkulation zeigt, der anstelle des INJ 31 mit hoher Zirkulation verwendet wird. Dieser Prozess wird in dem oben beschriebenen Schritt St14 ausgeführt.
Die ECU 70 ändert den Zielwert des Drucks P von PL zu PH (Schritt St31). Als Nächstes stellt die ECU 70 den Öffnungs-/Schließzyklus des Anodenauslassventils 6 auf den Zufuhrzyklus Tf_H in dem Zeitraum T1 ein (Schritt St32). Anschließend berechnet die ECU 70 den Zufuhrzyklus Tf_L und die Ein-Zeit Ton_L für die Ausführung des Zuführens des Anodengases aus dem INJ 31 mit hoher Zirkulation so, dass der Druck P in dem Zustand nach der Änderung den Zielwert PH annimmt (Schritt St33).
Als Nächstes erhöht die ECU 70 den Druck P auf den Zielwert PH, indem sie während der Ein-Zeit Ton_p das Anodengas aus dem Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation zuführt (Schritt St34). Anschließend schaltet die ECU 70 den INJ 32 mit niedriger Zirkulation während der Ein-Zeit Ton_L auf der Grundlage des PWM-Signals VL Ein (Schritt St35). Dementsprechend wird die FC 1 mit dem Anodengas aus dem INJ 32 mit niedriger Zirkulation über den Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation beaufschlagt. Der Druck P am Einlass steigt durch die Zufuhr des Anodengases an.
Als Nächstes schaltet die ECU 70 den INJ 32 mit niedriger Zirkulation Aus (Schritt St36). Zu diesem Zeitpunkt schaltet die ECU 70 den INJ 32 mit niedriger Zirkulation während der verbleibenden Zeit nach dem Subtrahieren der Ein-Zeit Ton L von dem Zufuhrzyklus Tf_L Ein. Dementsprechend wird die Ein/Aus-Steuerung des INJ 32 mit niedriger Zirkulation in jedem Zufuhrzyklus Tf_L ausgeführt.
Als Nächstes bestimmt die ECU 70, ob der Öffnungs-/Schließzyklus (= Tf_H) des Anodenauslassventils 6 angekommen ist (Schritt St37). Wenn der Öffnungs-/Schließzyklus des Anodenauslassventils 6 nicht angekommen ist (Nein in Schritt St37), so bestimmt die ECU 70, ob die Ein/Aus-Steuerung gestoppt werden soll (Schritt St38). Wenn die ECU 70 die Ein/Aus-Steuerung fortsetzt (Nein in Schritt St38), so werden die Prozesse von Schritt St35 danach erneut ausgeführt. Wenn die Ein/Aus-Steuerung gestoppt wird (Ja in Schritt St38), so beendet die ECU 70 den Prozess.
Wenn der Öffnungs-/Schließzyklus des Anodenauslassventils 6 angekommen ist (Ja in Schritt St37), so öffnet die ECU 70 das Anodenauslassventil 6 (Schritt St39). Infolge dessen fällt der Druck P ausgehend von dem Zielwert PH, wodurch die Druckpulsation erzeugt wird. Daher wird das flüssige Wasser in dem Anodengasströmungspfad L31 und der Anodenaustragsleitung L32 in dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 5 gesammelt, strömt von dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 5 über das Anodenauslassventil 6 und die Entwässerungsableitung L35 zu der Kathodenaustragsleitung L22 und wird ins Freie abgelassen. Daher werden die Entwässerungseigenschaften aufgrund der Druckpulsation, die nicht durch die Ein/Aus-Steuerung des INJ 32 mit niedriger Zirkulation erhalten werden kann, auf dem gleichen Niveau wie in dem Zeitraum T1 gehalten.
Als Nächstes misst die ECU 70 den Druck P am Einlass 11 des Anodengases der FC 1 mit dem Drucksensor 15 (Schritt St40). Als Nächstes vergleicht die ECU 70 den Druck P mit dem Zielwert PL in dem Zeitraum T1 (Schritt St41). Wenn der Druck P größer als der Zielwert PL ist (Nein in Schritt St41), so führt die ECU 70 den Prozess von Schritt St40 erneut aus.
Wenn der Druck P maximal so groß wie der Zielwert PL ist (Ja in Schritt St41), so schließt die ECU 70 das Anodenauslassventil 6 (Schritt St42). Somit wird der Mindestwert des Drucks P auf einen Wert um den Zielwert PL herum gedrückt.
Als Nächstes erhöht die ECU 70 den Druck P auf den Zielwert PH, indem sie während der Ein-Zeit Ton_q das Anodengas aus dem Ejektor 4b mit niedriger Zirkulation zuführt (Schritt St43). Anschließend wird der Prozess von Schritt St38 ausgeführt. Auf diese Weise wird die Ein/Aus-Steuerung des INJ 32 mit niedriger Zirkulation ausgeführt.
Die oben beschriebene Ausführungsform ist eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, und verschiedene Modifizierungen können vorgenommen werden, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2010242508 A [0002]

Claims

Brennstoffzellensystem (100), umfassend: eine Brennstoffzelle (1), die dafür eingerichtet ist, unter Verwendung von Brenngas elektrischen Strom zu erzeugen; eine erste Zufuhrvorrichtung (31), die dafür eingerichtet ist, der Brennstoffzelle (1) das Brenngas zuzuführen; eine zweite Zufuhrvorrichtung (32), die dafür eingerichtet ist, der Brennstoffzelle (1) das Brenngas zuzuführen; einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider (5), der dafür eingerichtet ist, flüssiges Wasser von aus der Brennstoffzelle (1) ausgestoßenem Abgas zu trennen und das flüssige Wasser zu speichern; ein Auslassventil (6), das dafür eingerichtet ist, das in dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider (5) gespeicherte flüssige Wasser abzulassen; einen ersten Ejektor (4a), der dafür eingerichtet ist, das Abgas aus dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider (5) unter Verwendung des Brenngases aus der ersten Zufuhrvorrichtung (31) als ein Antriebsfluid anzusaugen und das Abgas zusammen mit dem Brenngas in Richtung der Brennstoffzelle (1) auszustoßen, dergestalt, dass das Abgas zu der Brennstoffzelle (1) zirkuliert; einen zweiten Ejektor (4b), der dafür eingerichtet ist, das Abgas aus dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider (5) unter Verwendung des Brenngases aus der zweiten Zufuhrvorrichtung (32) als ein Antriebsfluid anzusaugen und das Abgas zusammen mit dem Brenngas in Richtung der Brennstoffzelle (1) auszustoßen, dergestalt, dass das Abgas zu der Brennstoffzelle (1) zirkuliert; eine Messvorrichtung (15), die dafür eingerichtet ist, einen Druck des Brenngases an einem Einlass der Brennstoffzelle (1) zu messen; und eine Steuervorrichtung (70), die dafür eingerichtet ist, die erste Zuführvorrichtung (31), die zweite Zuführvorrichtung (32) und das Auslassventil (6) zu steuern, wobei: ein Ausstoßbetrag des Brenngases pro Zeiteinheit aus dem ersten Ejektor (4a) kleiner ist als ein Ausstoßbetrag des Brenngases pro Zeiteinheit aus dem zweiten Ejektor (4b); ein Zirkulationsbetrag des Abgases, das von dem ersten Ejektor (4a) zu der Brennstoffzelle (1) durch Zufuhr einer zuvor festgelegten Betrag des Brenngases zirkuliert, größer ist als ein Zirkulationsbetrag des Abgases, das von dem zweiten Ejektor (4b) zu der Brennstoffzelle (1) durch die Zufuhr der zuvor festgelegten Betrag des Brenngases zirkuliert; und die Steuervorrichtung (70) dafür eingerichtet ist, die Zufuhr während einer ersten Zeit aus der ersten Zufuhrvorrichtung (31) in jedem ersten Zyklus so auszuführen, dass der durch die Messvorrichtung (15) gemessene Druck ein erster Zielwert wird, und wenn ein Ausstoß des Brenngases aus dem ersten Ejektor (4a) in einem anormalen Zustand ist, die Zufuhr des Brenngases aus der ersten Zufuhrvorrichtung (31) zu stoppen, die Zufuhr während einer zweiten Zeit aus der zweiten Zufuhrvorrichtung (32) in jedem zweiten Zyklus so auszuführen, dass der durch die Messvorrichtung (15) gemessene Druck ein zweiter Zielwert wird, und das Auslassventil (6) in jedem ersten Zyklus zu öffnen und zu schließen, wobei die zweite Zeit kürzer als die erste Zeit ist, der zweite Zyklus kürzer als der erste Zyklus ist und der zweite Zielwert höher als der erste Zielwert ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, wobei der zweite Zyklus kürzer ist als ein Zeitraum, während dem eine Zirkulationsstömung des Abgases, der durch die Zufuhr des Brenngases aus der zweiten Zufuhrvorrichtung (32) erzeugt wird, fortgesetzt wird.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuervorrichtung (70) dafür eingerichtet ist, das Auslassventil (6) zu öffnen, nachdem sie die Zufuhr des Brenngases aus der zweiten Zufuhrvorrichtung (32) mehrere Male in jedem zweiten Zyklus ausgeführt hat, und das Auslassventil (6) zu schließen, wenn der durch die Messvorrichtung (15) gemessene Druck maximal so groß wie der erste Zielwert wird.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuervorrichtung (70) dafür eingerichtet ist: nachdem die Zufuhr des Brenngases aus der ersten Zufuhrvorrichtung (31) ausgeführt wurde, und wenn der durch die Messvorrichtung (15) gemessene Druck unter den ersten Zielwert fällt, die Zufuhr des Brenngases aus der ersten Zufuhrvorrichtung (31) erneut auszuführen, und nachdem die Zufuhr des Brenngases aus der zweiten Zufuhrvorrichtung (32) ausgeführt wurde, und wenn der durch die Messvorrichtung (15) gemessene Druck unter den zweiten Zielwert fällt, die Zufuhr des Brenngases aus der zweiten Zufuhrvorrichtung (32) erneut auszuführen.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 4, wobei der zweite Zielwert kleiner ist als ein Maximalwert des durch die Messvorrichtung (15) gemessenen Drucks, wenn die Zufuhr des Brenngases aus der ersten Zufuhrvorrichtung (31) ausgeführt wird.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuervorrichtung (70) dafür eingerichtet ist, die Zufuhr des Brenngases aus der zweiten Zufuhrvorrichtung (32) aufrecht zu erhalten, bis der durch die Messvorrichtung (15) gemessene Druck den zweiten Zielwert erreicht, wenn sich der Ausstoß des Brenngases aus dem ersten Ejektor (4a) in dem anormalen Zustand befindet oder wenn das Auslassventil (6) geschlossen ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuervorrichtung (70) dafür eingerichtet ist, anhand des Drucks, der durch die Messvorrichtung (15) gemessen wird, wenn die Zufuhr des Brenngases aus der ersten Zufuhrvorrichtung (31) ausgeführt wird, zu bestimmen, ob sich der Ausstoß des Brenngases aus dem ersten Ejektor (4a) im anormalen Zustand befindet.