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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Steuerungsverfahren dafür.
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2. Erläuterung des Stands der Technik
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Die japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Nummer 2008-88925 (
JP 2008-88 925 A ) offenbart, dass ein Ventilöffnungsgrad mit hoher Genauigkeit gesteuert wird, indem ein Lernen bei einer vollständig geschlossenen elektronischen Drosselklappe ausgeführt wird, so dass eine Leerlaufdrehzahl im Leerlauf nach dem Starten eines Motors stabil ist.
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KURZE ERLÄUTERUNG DER ERFINDUNG
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Nebenbei bemerkt müssen Ventile im Brennstoffzellensystem, die in einem Luftzufuhrsystem und einem Wasserstoffgaszufuhrsystem vorgesehen sind, während des Anhaltens beim Fahren eine Dichtungseigenschaft haben, und daher ist im Allgemeinen ein Dichtungselement, wie z. B. Gummi, zwischen einer Ventilscheibe und einem Körper (einer Bohrung) vorgesehen. In diesem Fall ist der Ventilteller bei vollständig geschlossenem Ventil in engem Kontakt mit dem Dichtungselement, und ein Strömungsweg ist abgedichtet.
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Dabei kann ein zwischen dem Ventilteller und dem Dichtungselement erzeugter Druck (Spannkraft) abhängig von der Umgebung oder den Fertigungsschwankungen variieren. Daher besteht in einem Fall, in dem ein im verwandten Stand der Technik nach der
JP 2008-88925 A offenbartes Steuerungsverfahren eines Ventilöffnungsgrades für die Steuerung des Ventils des Brennstoffzellensystems eingesetzt wird, die Möglichkeit, dass aufgrund der Variation der Spannkraft die Rückkopplungsregelung des Ventilöffnungsgrades zum Zeitpunkt der Aktivierung des Systems instabil ist und ein Überschwingen auftritt, das einen Sollwert extrem überschreitet.
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Die vorliegende Offenbarung schafft ein Brennstoffzellensystem, das dazu fähig ist, das Steuern eines Ventilöffnungsgrades stabil durchzuführen.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Ventil, eine Einheit zum Messen eines Ventilöffnungsgrades und eine Steuereinrichtung. Das Ventil ist in einem Strömungsweg angeordnet, durch den einer Brennstoffzelle zuzuführendes Reaktionsgas strömt. Die Einheit zum Messen des Ventilöffnungsgrads ist dazu aufgebaut, einen Messwert für den Ventilöffnungsgrad des Ventils zu messen. Die Steuervorrichtung ist dazu aufgebaut, einen Sollwert für den Ventilöffnungsgrad des Ventils basierend auf einer Strömungsrate des Reaktionsgases zu berechnen, die aus einer Sollerzeugungsmenge elektrischer Energie der Brennstoffzelle berechenbar ist, und eine Rückkopplungsregelung des Betriebs des Ventils basierend auf dem Sollwert des Ventilöffnungsgrads und dem Messwert des Ventilöffnungsgrads auszuführen. Die Steuervorrichtung ist dazu aufgebaut, die Rückkopplungsregelung des Ventils in einem Fall nicht auszuführen, in dem eine erste Bedingung, nach welcher der Sollwert für den Ventilöffnungsgrad kleiner als ein Schwellenwert des Sollwerts ist, und eine zweite Bedingung erfüllt sind, nach welcher der Messwert des Ventilöffnungsgrads kleiner als ein Schwellenwert des Messwerts ist, und die Rückkopplungsregelung des Ventils in einem Fall auszuführen, in dem die erste Bedingung oder die zweite Bedingung nicht erfüllt ist.
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Im Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt kann der Strömungsweg ein Abgabeströmungsweg sein, der mit einem Ablass einer Kathode der Brennstoffzelle verbunden ist, und das Ventil kann ein Ventil zum Einstellen einer Ablassströmungsrate sein, das in dem Abgabeströmungsweg angeordnet ist.
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Im Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt kann das Ventil einen Ventilkörper, einen Ventilteller, der dazu aufgebaut ist, einen Strömungsweg im Inneren des Ventilkörpers durch Drehen mit einem Ventilschaft als Achse öffnet und schließt, und ein zwischen dem Ventilteller und dem Strömungsweg im Inneren des Ventilkörpers angeordnetes Dichtungselement umfassen.
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Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem bereit, das ein Ventil umfasst, das in einem Strömungsweg angeordnet ist, durch den einer Brennstoffzelle zuzuführendes Reaktionsgas strömt. Das Steuerverfahren umfasst das Messen eines Messwerts des Ventilöffnungsgrads des Ventils durch eine Messeinheit für den Ventilöffnungsgrad, das Berechnen eines Sollwerts für den Ventilöffnungsgrad des Ventils durch eine Steuervorrichtung basierend auf einer Strömungsrate des Reaktionsgases, die aus einer Sollmenge der elektrischen Energieerzeugung der Brennstoffzelle berechenbar ist, und das Durchführen einer Rückkopplungsregelung des Betriebs des Ventils durch die Steuervorrichtung basierend auf dem Sollwert für den Ventilöffnungsgrad und dem Messwert des Ventilöffnungsgrads. Durch die Steuervorrichtung wird die Rückkopplungsregelung des Ventils in einem Fall nicht ausgeführt, in dem eine erste Bedingung, nach welcher der Sollwert für den Ventilöffnungsgrad kleiner als ein Schwellenwert des Sollwerts ist, und eine zweite Bedingung erfüllt sind, nach welcher der Messwert des Ventilöffnungsgrads kleiner als ein Schwellenwert des Messwerts ist, und die Rückkopplungsregelung des Ventils wird in einem Fall ausgeführt, in dem die erste Bedingung oder die zweite Bedingung nicht erfüllt ist.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung können ein Brennstoffzellensystem und ein Steuerungsverfahren dafür geschaffen werden, die dazu fähig sind, eine Steuerung eines Ventilöffnungsgrades stabil auszuführen.
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Figurenliste
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Merkmale, Vorteile und die technische und industrielle Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Zeichen gleiche Elemente bezeichnen, und in denen:
- 1 ein Schaubild ist, das einen schematischen Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform zeigt;
- 2 ein funktionelles Blockschaubild einer Steuervorrichtung in 1 ist;
- 3 eine schematische Ansicht ist, die einen schematischen Aufbau eines Ventils zum Einstellen der Abgabeströmungsrate zeigt;
- 4 ein Ablaufplan der Ventilsteuerung zum Zeitpunkt der Aktivierung des Brennstoffzellensystems ist;
- 5 ein Zeitschaubild zum Zeitpunkt der Aktivierung des Brennstoffzellensystems ist; und
- 6 ein Zeitschaubild zum Zeitpunkt der Reaktivierung des Brennstoffzellensystems ist.
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GENAUE ERLÄUTERUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine Ausführungsform wird nachstehend anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Um das Verständnis der Beschreibung zu erleichtern, werden die gleichen Komponenten in jeder Zeichnung so weit wie möglich mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine erneute Beschreibung wird weggelassen.
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1 ist ein Schaubild, das einen schematischen Aufbau eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß der Ausführungsform zeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 ist z.B. in einem Fahrzeug (Brennstoffzellenfahrzeug) montiert und gibt elektrische Energie gemäß einer Anforderung durch einen Fahrer aus einer Energiequelle des Fahrzeugs ab. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle (FC, „fuel cell“) 100, ein Luftzufuhrsystem 200, ein Wasserstoffgaszufuhrsystem 300, ein (nicht dargestelltes) Kühlsystem und eine Steuervorrichtung 600.
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Die Brennstoffzelle 100 hat eine Stapelstruktur, in der Zellen aus einer Vielzahl von Einzelzellen 110 als stromerzeugendes Element gestapelt sind. Jede Einzelzelle 110 ist mit einer Membran-Elektroden-Baugruppe (MEA, „membrane electrode assembly“) aufgebaut, in der beide Elektroden einer Anode und einer Kathode mit beiden Seiten einer Elektrolytmembran und zwei Separatoren verbunden bzw. verklebt sind, die zwischen beiden Seiten der Anode und Kathode der Membran-Elektroden-Baugruppe angeordnet sind. Die Brennstoffzelle 100 erzeugt durch eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff als Brenngas, das der Anode aus dem nachstehend beschriebenen Wasserstoffgaszufuhrsystem 300 zugeführt wird, und Sauerstoff als Oxidationsgas, der in der Luft enthalten ist, die der Kathode aus dem Luftzufuhrsystem 200 zugeführt wird, eine elektrische Leistung und treibt mit der erzeugten elektrischen Leistung eine Last eines Antriebsmotors an.
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Das Luftversorgungssystem 200 gibt die Luft, die Sauerstoff als Oxidationsgas enthält, an die Kathode der Brennstoffzelle 100 ab. Das Luftzufuhrsystem 200 umfasst einen Sauerstoffzufuhrströmungsweg 210, einen Abgabeströmungsweg 220, einen Kompressor 230 und ein Ventil 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate. Ein erstes Ende des Sauerstoffzufuhrströmungswegs 210 ist mit einem Einlass der Kathode der Brennstoffzelle 100 verbunden, und ein zweites Ende davon ist offen. Der Kompressor 230 ist in dem Sauerstoffzufuhrströmungsweg 210 vorgesehen. Ein erstes Ende des Abgabeströmungswegs 220 ist mit einem Ablass der Kathode der Brennstoffzelle verbunden. Das Ventil 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate ist im Abgabeströmungsweg 220 vorgesehen. Das Luftzufuhrsystem 200 stellt mit dem Kompressor 230 eine Durchflussrate der Luft ein, die vom offenen Ende des Sauerstoffzufuhrströmungswegs 210 angesaugt wird, und gibt die Luft an die Kathode der Brennstoffzelle 100 ab. Zudem gibt das Luftversorgungssystem 200 die Luft (das Kathodenabgas), die nicht verbrauchten Sauerstoff enthält, der aus dem Ablass der Kathode austritt, mit der Durchflussrate an die Atmosphäre ab, die durch das Ventil 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate im Abgabeströmungsweg 220 eingestellt wird. Der Betrieb des Luftzufuhrsystems 200 wird durch Steuern des Kompressors 230 und des Ventils 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate durch die nachstehend erläuterte Steuervorrichtung 600 ausgeführt. In der nachstehenden Beschreibung der vorliegenden Ausführungsform wird als Beispiel für ein „Ventil, das in dem Strömungsweg angeordnet ist, durch den das der Brennstoffzelle zugeführte Reaktionsgas strömt“, das ein Steuerungsziel der nachstehend anhand von 3 und dergleichen beschriebenen Ventilsteuerung ist, das Ventil 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate beschrieben. Zudem kann das Ventil 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate als „FC-Ablassluftventil“, „Luftablassventil“, „Luftventil“ oder dergleichen bezeichnet werden.
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Das Wasserstoffgaszufuhrsystem 300 versorgt die Anode der Brennstoffzelle 100 mit Wasserstoff als Brenngas, das zur Stromerzeugung der Brennstoffzelle 100 verwendet wird. Das Wasserstoffgaszufuhrsystem 300 umfasst einen Wasserstoffgastank 310 als Brennstofftank, einen Wasserstoffgaszuführweg 320 als Brennstoffgaszuführströmungsweg, einen Rückführungsweg 330, ein Öffnungs- und Schließventil 340, ein Druckeinstellventil 350, einen Injektor 360 als Brennstoffgaszuführvorrichtung, Drucksensoren 321, 322, ein Überdruckventil 323, eine Wasserstoffgaspumpe 370, einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider 380, ein Ablassventil 395 und einen Abgabeströmungsweg 390. Der Abgabeströmungsweg 390 ist mit dem Abgabeströmungsweg 220 verbunden.
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Hochdruckwasserstoffgas wird im Wasserstoffgastank 310 gespeichert. Der Wasserstoffgastank 310 ist über den Wasserstoffgaszuführweg 320 mit einem Einlass der Anode der Brennstoffzelle 100 verbunden. Im Wasserstoffgaszuführweg 320 sind ausgehend vom Wasserstoffgastank 310 in dieser Reihenfolge das Öffnungs- und Schließventil 340, das Druckeinstellventil 350, der Drucksensor 321, der Injektor 360, das Überdruckventil 323 und der Drucksensor 322 vorgesehen. Das Öffnungs- und Schließventil 340 schaltet die Zufuhr des Anodengases aus dem Wasserstoffgastank 310 ein und aus. Das Druckeinstellventil 350 stellt einen Druck des Wasserstoffgases ein, das dem Injektor 360 zuzuführen ist. Der Injektor 360 injiziert das vom Druckeinstellventil 350 zugeführte Wasserstoffgas über den Wasserstoffgaszuführweg 320 in einem Zyklus passend zur benötigten Last zur Anode der Brennstoffzelle 100 und stellt eine Zufuhrmenge des Wasserstoffgases an die Brennstoffzelle 100 ein. Ein Druck auf einer stromaufwärtigen Seite des Injektors 360 wird vom Drucksensor 321 erfasst, und ein Druck auf einer stromabwärtigen Seite des Injektors 360 vom Drucksensor 322. Das Überdruckventil 323 arbeitet (öffnet), wenn der Druck einen vorab festgelegten Druck übersteigt, und gibt das Wasserstoffgas, das durch den Wasserstoffgaszuführweg 320 auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 360 strömt, aus einer Abgabeöffnung des Überdruckventils 323 ab. Dadurch arbeitet das Überdruckventil 323 so, dass der Druck im Wasserstoffgaszuführweg 320 auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 360 den eingestellten Druck nicht überschreitet. Ein Wärmestromsensor 324 ist an einem Endabschnitt eines Ablassrohrs 325 vorgesehen, das mit dem Ablassanschluss des Überdruckventils 323 verbunden ist, d.h. unmittelbar stromabwärts des Überdruckventils 323. Wie nachstehend beschrieben wird, erfasst der Wärmestromsensor 324 eine Änderung eines Wärmestroms, die aufgrund des Beginns der Freigabe des Wasserstoffgases aus der Freigabeöffnung in einem Fall auftritt, in dem das Überdruckventil 323 geöffnet ist.
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Das der Brennstoffzelle 100 über den Wasserstoffgaszuführweg 320 zugeführte Wasserstoffgas strömt durch einen (nicht dargestellten) Wasserstoffgasströmungsweg auf der Zuführungsseite eines Stapels der Einzelzellen 110 und wird jeder Einzelzelle 110 zugeführt. Anodenabgas, das unbenutztes Wasserstoffgas enthält, das nicht in jeder Einzelzelle verwendet wird, strömt durch den Wasserstoffgasströmungsweg auf der Abgabeseite, der aus einem Stapel der Einzelzellen 110 aufgebaut ist, und wird in den Rückführungsweg 330 abgeführt. Das Anodenabgas enthält flüssiges Wasser, das durch die Stromerzeugung jeder Einzelzelle 110 erzeugt wird, und Verunreinigungsgas, wie z. B. Stickstoffgas, das von der Kathodenseite zur Anodenseite durchdringt. Das heißt, das Anodenabgas ist ein Mischgas, das das Wasserstoffgas und das Verunreinigungsgas, wie z. B. das Stickstoffgas, enthält.
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Der Rückführungsweg 330 ist mit einem Ablass der Anode der Brennstoffzelle 100 und einem Abschnitt des Wasserstoffgaszuführwegs 320 verbunden, der näher an der Seite der Brennstoffzelle 100 liegt als der Drucksensor 322, und führt das Anodenabgas, das von der Brennstoffzelle 100 abgeleitet wird, zum Wasserstoffgaszuführweg 320 zurück. Im Rückführungsweg 330 sind der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 380 und die Wasserstoffgaspumpe 370 vorgesehen. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 380 trennt das flüssige Wasser aus dem Anodenabgas ab, das mit dem aus der Brennstoffzelle 100 abgeleiteten flüssigen Wasser vermischt ist. Das durch die Abtrennung des flüssigen Wassers mittels des Gas-Flüssig-Abscheiders 380 gewonnene Anodenabgas wird durch die Wasserstoffgaspumpe 370 über den Rücklaufpfad 330 in den Wasserstoffgaszuführweg 320 zurückgeführt, und das im Anodenabgas enthaltene Wasserstoffgas zirkuliert und wird der Brennstoffzelle 100 zugeführt. Daher ist das Anodengas (Brenngas), das der Brennstoffzelle 100 zugeführt wird, in Wirklichkeit das Mischgas, das das Wasserstoffgas und das Verunreinigungsgas enthält.
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Soll die elektrische Leistung der Brennstoffzelle 100 effizient erzeugt werden, ist es ungünstig, wenn die Konzentration des Verunreinigungsgases hoch und die Konzentration des Wasserstoffgases niedrig ist. Daher wird, falls die Konzentration des im Anodenabgas enthaltenen Verunreinigungsgases hoch und die Konzentration des Wasserstoffgases niedrig ist, die Steuerung des Öffnens des Ablassventils 395 und des Ablassens des Anodenabgases aus dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 380 in den Abgabeströmungsweg 390 ausgeführt. Außerdem wird in diesem Fall durch Einspritzen des Wasserstoffgases aus dem Injektor 360 die Konzentration des Verunreinigungsgases gesenkt und die Konzentration des Wasserstoffgases erhöht.
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Verschiedene Abläufe im Wasserstoffgaszufuhrsystem 300 werden durch Steuern des Öffnungs- und Schließventils 340, des Druckeinstellventils 350, des Injektors 360, der Wasserstoffgaspumpe 370 und des Ablassventils 395 durch die nachstehend beschriebene Steuervorrichtung 600 ausgeführt.
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Die Steuervorrichtung 600 ist durch einen sogenannten Mikrocomputer mit einer CPU, einem ROM, einem RAM und dergleichen aufgebaut, der die logischen Operationen bzw. Abläufe ausführt. Die Steuervorrichtung 600 empfängt Sensoreingaben von den nachstehend erläuterten Drucksensoren 321, 322, dem Wärmestromsensor 324, dem Sensor 63 für den Öffnungsgrad des Luftventils (siehe 2) oder verschiedenen (nicht gezeigten) Sensoren, um verschiedene Steuerungen der Komponenten in der Brennstoffzelle 100, wie z. B. des Kompressors 230, des Injektors 360, des Druckeinstellventils 350, des Öffnungs- und Schließventils 340, des Ablassventils 395 und des Ventils 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate auszuführen.
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Zudem steuert die Steuervorrichtung 600 den Betrieb der Brennstoffzelle 100, indem sie das Luftversorgungssystem 200 oder das Wasserstoffgaszufuhrsystem 300 steuert. Außerdem werden basierend auf einem Änderungsbetrag in den Erfassungsergebnissen der Drucksensoren 321, 322 ein Gasleck, eine Störung einschließlich des Einsatzes (Öffnens) des Überdruckventils 323, eine Störung verschiedener Ventile und dergleichen erkannt.
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Des Weiteren kann die Steuervorrichtung 600 die Ventilöffnungsgrade verschiedener Ventile, wie z. B. des Ventils 240 zur Einstellung der Ablassdurchflussmenge, mittels eines Rückkopplungsregelungsverfahrens, wie z. B. einer Proportional-Integral-Differenzial-Regelung (PID-Regelung), steuern. Die Regelparameter der PID-Regelung können vorab z. B. durch eine vorläufige Simulation oder ein Experiment ermittelt werden. Insbesondere kann in der vorliegenden Ausführungsform bei der Steuerung des Ventils 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate über das Ausführen und Nichtausführen der PID-Regelung abhängig von einer nachstehend beschriebenen vorab festgelegten Bedingung entschieden und umgeschaltet werden.
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2 ist ein funktionales Blockschaubild der Steuervorrichtung 600 in 1. Der Sensor 63 für den Öffnungsgrad des Luftventils (Ventilöffnungsgradmesseinheit) und das Ventil 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate sind mit der Steuervorrichtung 600 verbunden. Der Sensor 63 für den Öffnungsgrad des Luftventils misst einen Öffnungsgrad (Messwert des Ventilöffnungsgrads) θm des im Luftversorgungssystem 200 vorgesehenen Ventils 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate.
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Die Steuervorrichtung 600 steuert den Betrieb jedes Elements eines Systems, wie z. B. des Ventils 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate, basierend auf verschiedenen Informationen des Systems, die von dem Sensor 63 für den Öffnungsgrad des Luftventils und dergleichen eingegeben werden.
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Im Hinblick auf die vorstehend erläuterten Funktionen umfasst die Steuervorrichtung 600 eine Einheit 61 zur Bestimmung des Ventilöffnungsgrads und eine Luftventilsteuerung 62, wie beispielsweise in 2 gezeigt.
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Die Einheit 61 zur Bestimmung des Ventilöffnungsgrads berechnet einen Sollwert θd des Öffnungsgrads des Ventils 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate. Der Sollwert θd für den Ventilöffnungsgrad wird beispielsweise basierend auf der Durchflussrate des Reaktionsgases berechnet, die aus der Sollgröße der elektrischen Energieerzeugung der Brennstoffzelle 100 berechnet wird.
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Die Luftventilsteuerung 62 steuert den Betrieb des Ventils 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate basierend auf dem Sollwert θd des Ventilöffnungsgrads, der von der Einheit 61 zur Bestimmung des Ventilöffnungsgrads berechnet wird. Die Luftventilsteuerung 62 führt die Rückkopplungsregelung, wie z.B. die PID-Regelung, so aus, dass der Ventilöffnungsgrad des Ventils 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate (Messwert θm des Ventilöffnungsgrads, den der Sensor 63 für den Öffnungsgrad des Luftventils misst) dem Sollwert θd für den Ventilöffnungsgrad folgt.
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Zudem entscheidet die Luftventilsteuerung 62 über die Ausführung bzw. Nichtausführung der PID-Regelung basierend auf dem vom Sensor 63 für den Öffnungsgrad des Luftventils gemessenen Messwert θm des Ventilöffnungsgrads und des von der Einheit 61 zur Bestimmung des Ventilöffnungsgrads berechneten Sollwerts θd des Ventilöffnungsgrads.
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Hier werden anhand von 3 ein schematischer Aufbau des im Brennstoffzellensystem 10 vorgesehenen Ventils und die Probleme im Stand der Technik beschrieben. 3 ist eine schematische Ansicht, die einen schematischen Aufbau des Ventils 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate als ein Beispiel für das im Brennstoffzellensystem 10 vorgesehene Ventil zeigt.
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Wie in 3 gezeigt wird, ist das Ventil 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate beispielsweise ein Ventil, das durch eine tellerförmige Scheibe (Ventilteller) 242 geöffnet und geschlossen wird, die sich um 90 Grad um einen Schaft (Ventilschaft) 246 als einer Achse im inneren Flussweg (der Bohrung) des Ventilkörpers 241 dreht, also ein sogenanntes Schmetterlingsventil. Das Ventil 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate wird durch eine von einem Motor 243 abgegebene Antriebskraft f1 um den Ventilschaft 246 rotierend bewegt. Zudem ist eine Vorspanneinrichtung, wie z. B. eine Feder 244, mit dem Ventilschaft 246 verbunden, und eine Vorspannkraft f2 wird in einer Richtung aufgebracht, in der der Ventilteller 242 vollständig geschlossen ist. Das heißt, das Ventil 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate ist ein Ventil, bei dem in einem Fall die Anregung des Ventils unterbrochen ist und der vollständig geschlossene Zustand durch die Vorspannkraft f2 der Feder 244 aufrechterhalten wird, in dem die Antriebskraft f1 des Motors 243 nicht wirkt, also ein sogenanntes normalerweise geschlossenes Ventil. Wird das Ventil geöffnet, gibt der Motor 243 ein der Vorspannkraft f2 in einer Schließrichtung entgegengesetztes Drehmoment ab, um den Ventilöffnungsvorgang zu realisieren.
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Zudem hat die Wasserstoffkonzentration im Abgas des Brennstoffzellen- bzw. FC-Ablassluftventils (des Ventils 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate), das im Abgabeströmungsweg 220 des Luftzufuhrsystems 200 des Brennstoffzellensystems 10 vorgesehen ist, eine Obergrenze, und daher wird die Dichtungseigenschaft während des Stoppens der Ventilbetätigung (im vollständig geschlossenen Zustand) bei Nichtanregung benötigt. Daher ist das Ventil wie in 3 gezeigt so aufgebaut, dass eine Gummilippe 245 (ein Dichtelement) an einer Dichtungseinheit zwischen dem Ventilteller 242 und der Bohrung des Ventilkörpers 241 vorgesehen ist, der Ventilteller 242 in engem Kontakt mit der Gummilippe 245 ist, wenn das Ventil vollständig geschlossen ist, und die Dichtfähigkeit kann verbessert werden.
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Wie vorstehend beschrieben ist, werden hier in einem Fall, in dem der Ventilöffnungsgrad des Ventils 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate durch Ausführen der Rückkopplungsregelung, wie der PID-Regelung, gesteuert wird, die für die PID-Regelung verwendeten Regelparameter vorab aufgenommen, in vielen Fällen zum Beispiel durch eine vorläufige Simulation oder ein Experiment. Der Druck (die Spannkraft), der (die) zwischen dem Ventilteller 242 und der Gummilippe 245 erzeugt wird, kann jedoch aufgrund der unterschiedlichen Einsatzumgebung oder der Herstellungstoleranzen der einzelnen Ventile variieren. Daher gibt es in einem Fall, in dem sich der Druck zwischen der Ventilscheibe 242 und der Gummilippe 245 aufgrund der Veränderung der Spannkraft von dem zum Zeitpunkt der Parametererfassung unterscheidet, einen Fall bzw. eine Möglichkeit, nach dem bzw. nach der die Rückkopplungsregelung des Ventilöffnungsgrads instabil ist, der Öffnungsgrad nicht beibehalten werden kann, das Überschwingen, bei dem der Ventilöffnungsgrad extrem ansteigt und einen Zielwert überschreitet, in einem Fall eines Zustands eines niedrigen Öffnungsgrads nahe dem vollständig geschlossenen Zustand auftritt, wie einem Leerlaufzustand zum Zeitpunkt des Einschaltens des Systems.
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Daher ist in der vorliegenden Ausführungsform die Luftventilsteuerung 62 der Steuervorrichtung 600 dazu aufgebaut, die PID-Regelung (Erregung wird abgeschaltet) in einem Fall nicht auszuführen, in dem eine Bedingung (erste Bedingung) erfüllt ist, nach der der Sollwert θd des Ventilöffnungsgrads kleiner als ein Schwellenwert θt1 des Sollwerts ist und ein Zustand unmittelbar nach der Aktivierung des Systems umfasst ist, und das Auftreten des Überschreitens des Ventilöffnungsgrads zum Zeitpunkt der Aktivierung bzw. des Startens des Systems zu unterdrücken.
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In einem Fall, in dem die Bedingung zum Stoppen der Ausführung der PID-Regelung nur die erste Bedingung ist, besteht jedoch die Möglichkeit, dass ein Problem in einer anderen Situation als dem Starten des Systems auftritt. Insbesondere wenn der Ventilteller 242 des Ventils, für das die Ausführung der PID-Regelung gestoppt ist, in einem Fall in Schließrichtung beschleunigt, in dem das System erneut gestartet wird, gibt es einen Fall, in dem die erste Bedingung erfüllt ist, die Energiezufuhr zum Ventil unterbrochen wird, eine Bremskraft des Antriebsmotors 243 des Ventils aufgrund der fehlenden Energiezufuhr verloren geht und der Ventilteller 242 mit einer Geschwindigkeit geschlossen wird, die auf Dauer zu hoch für die Komponente ist.
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Daher führt in der vorliegenden Ausführungsform die Luftventilsteuerung 62 der Steuervorrichtung 600 die PID-Regelung nicht aus (die Anregung wird abgeschaltet), wenn zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen ersten Bedingung auch eine Bedingung (zweite Bedingung) erfüllt ist, bei der ein tatsächlicher Ventilöffnungsgrad (Messwert des Ventilöffnungsgrads θm) kleiner als ein Schwellenwert θt2 des Messwerts ist. Anders ausgedrückt führt die Luftventilsteuerung 62 selbst in einem Fall, in dem der Sollwert θd des Ventilöffnungsgrads kleiner ist als der Schwellenwert θt1 des Sollwerts ist, wie zum Zeitpunkt des erneuten Startens des Systems, die PID-Regelung in einem Fall aus, in dem der tatsächliche Ventilöffnungsgrad größer ist als der Schwellenwert θt2 des Messwerts. Im Ergebnis kann verhindert werden, dass der Ventilteller 242 zum Zeitpunkt des erneuten Startens des Systems mit hoher Geschwindigkeit mit der Seite des Ventilkörpers 241 kollidiert, und die Baugruppe kann geschützt werden.
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Demnach führt in der vorliegenden Ausführungsform die Luftventilsteuerung 62 der Steuervorrichtung 600 die PID-Regelung des Ventilöffnungsgrads nur in einem Fall nicht aus, in dem sowohl die erste Bedingung als auch die zweite Bedingung erfüllt sind, und führt die PID-Regelung in einem Fall aus, in dem mindestens entweder die erste Bedingung oder die zweite Bedingung nicht erfüllt ist. Folglich kann das Brennstoffzellensystem 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Auftreten des Überschwingens zum Zeitpunkt des Startens des Systems unterdrücken, kann die Kollision des Ventiltellers 242 zum Zeitpunkt der Reaktivierung des Systems verhindern und kann somit die Steuerung des Ventilöffnungsgrades stabil durchführen.
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Mit Bezug auf die 4 bis 6 werden die Auswirkungen der vorliegenden Ausführungsform weiter beschrieben. 4 ist ein Ablaufplan der Ventilsteuerung zum Zeitpunkt der Aktivierung des Brennstoffzellensystems 10. Jeder Vorgang im Ablaufplan nach 4 wird von der Steuervorrichtung 600 ausgeführt.
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In Schritt S1 wird eine Anweisung zur Vorbereitung der Stromerzeugung durch den FC-Stapel (die Brennstoffzelle 100) ausgegeben, und in Schritt S2 wird das Einschalten des Luftablassventils (Ventils 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate) zugelassen.
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In Schritt S3 bestimmt die Luftventilsteuerung 62, ob die folgenden zwei Bedingungen für die Entscheidung über Ausführung oder Nicht-Ausführung der PID-Regelung des Ventilöffnungsgrads des Ventils 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate erfüllt sind oder nicht.
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Erste Bedingung: Der Sollwert θd des Ventilöffnungsgrads ist kleiner als der Schwellenwert θt1 des Sollwerts.
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Zweite Bedingung: der Messwert θm des Ventilöffnungsgrads ist kleiner als der Schwellenwert des Messwerts θt2.
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Hier wird der Sollwert θd des Ventilöffnungsgrads von der Einheit 61 zur Bestimmung des Ventilöffnungsgrads beispielsweise passend zur Stromerzeugungsmenge der Brennstoffzelle 100 berechnet. Der Messwert θm des Ventilöffnungsgrads wird durch den Sensor 63 für den Öffnungsgrad des Luftventils gemessen. Der Schwellenwert θt1 des Sollwerts und der Schwellenwert θt2 des Messwerts können individuell eingestellt werden. Der Schwellenwert θt1 des Sollwerts beträgt beispielsweise 3 (Grad) und der Schwellenwert θt2 des Messwerts beträgt beispielsweise 2,5 (Grad).
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Als Ergebnis der Bestimmung in Schritt S3 schreitet der Ablauf in einem Fall, in dem sowohl die erste Bedingung als auch die zweite Bedingung erfüllt sind (Ja in Schritt S3), zu Schritt S4 fort, und die PID-Regelung wird während des Zeitabschnitts nicht ausgeführt, in dem diese Bedingungen erfüllt sind.
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Andererseits fährt der Vorgang in einem Fall, in dem die erste Bedingung und/oder die zweite Bedingung nicht erfüllt ist (Nein in Schritt S3), mit Schritt S5 fort, die PID-Regelungsberechnung für die Ventilansteuerung wird gestartet, und die PID-Regelung wird ausgeführt.
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Nachdem die Vorgänge der Schritte S4 und S5 ausgeführt wurden, kehrt der Ablauf zum Bestimmungsblock des Schrittes S3 zurück, und die Entscheidung über die Ausführung oder Nichtausführung der PID-Regelung wird wiederholt.
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5 ist ein Zeitschaubild zum Zeitpunkt der Aktivierung des Brennstoffzellensystems 10. 5 zeigt die zeitlichen Verläufe einer Zündung (IG), eines Signals zum Erlauben der Ansteuerung des Luftventils (des Ventils 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate), des Ventilöffnungsgrad-Sollwerts θd, des Messwerts des Ventilöffnungsgrads θm, einer Drehzahl des Luftkompressors (ACP) und eines PID-Erlaubnissignals. In der Spalte des Messwerts θm des Ventilöffnungsgrads wird das Verhalten des Ventils beim Einsatz der vorliegenden Ausführungsform durch eine durchgezogene Linie angezeigt, und beim Messwert des Ventilöffnungsgrads wird das Verhalten des Ventils im Stand der Technik (dem Fall, bei dem die PID-Regelung unmittelbar nach der Freigabe der Ansteuerung gestartet wird) durch eine gestrichelte Linie angezeigt. In ähnlicher Weise wird das PID-Erlaubnissignal auch im Fall der vorliegenden Ausführungsform durch eine durchgezogene Linie und ein PID-Erlaubnissignal im Fall des Stands der Technik durch eine gepunktete Linie angezeigt.
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In einem Fall, in dem die Zündung zum Zeitpunkt T1 EIN geschaltet wird, werden die Vorgänge der Schritte S1 und S2 im Ablaufplan der 4 ausgeführt, und das Ansteuerungsfreigabesignal steigt zum Zeitpunkt T2 an.
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In diesem Fall ist der Sollwert θd des Ventilöffnungsgrads ein kleiner Öffnungsgrad θ1 (z. B. 0,5 Grad) nahe dem vollständig geschlossenen Zustand. Im Stand der Technik steigt das PID-Erlaubnissignal gleichzeitig mit dem Anstieg des Ansteuerungsfreigabesignals an, und die Rückkopplungsregelung des Ventilöffnungsgrads wird gestartet. Wie vorstehend beschrieben ist, gibt es jedoch aufgrund eines individuellen Unterschieds der Zugkraft zwischen dem Ventilteller 242 und der Gummilippe 245 im geschlossenen Zustand des Ventils einen Fall, in dem die Rückkopplungsregelung bei einem niedrigen Öffnungsgrad nicht gut ausgeführt werden kann, beispielsweise wird die Rückkopplung in einer Ventilöffnungsrichtung ausgeführt, und es kommt zu einem unerwünschten Überschwingen, wie durch eine gestrichelte Linie für den Messwert θm des Ventilöffnungsgrads in 5 gezeigt.
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Andererseits wird in der vorliegenden Ausführungsform in einem Fall die PID-Regelung nicht ausgeführt, in dem die Abläufe der Schritte S3 und S4 im Ablaufplan der 4 ausgeführt werden und der Sollwert θd für den Ventilöffnungsgrad wie gemäß der vorstehend erläuterten ersten Bedingung kleiner ist als der vorab festgelegte Schwellenwert des Sollwerts θt1. Daher kann das Auftreten des Überschwingens des Luftventils 240 unmittelbar nach der Aktivierung unterdrückt werden.
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Dann steigt zum Zeitpunkt T3 in einem Fall, in dem ein Stromerzeugungsbefehl ausgegeben und die Luftzufuhr zum Stapel der Brennstoffzelle 100 gestartet wird, der Sollwert θd des Ventilöffnungsgrads auf oder über den Schwellenwert θt1 des Sollwerts. Da in diesem Fall die erste Bedingung nicht erfüllt ist, werden die Abläufe der Schritte S3 und S5 im Flussdiagramm von 4 ausgeführt, das PID-Erlaubnissignal steigt an, die PID-Regelung wird gestartet, und dann steigt der Messwert θm des Ventilöffnungsgrads an, um dem Sollwert θd des Ventilöffnungsgrads mittels der PID-Regelung zu folgen.
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Wie vorstehend beschrieben wurde, kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Auftreten des Überschießens des Luftventils 240 zum Zeitpunkt der Aktivierung des Brennstoffzellensystems 10 unterdrückt werden.
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6 ist ein Zeitschaubild zum Zeitpunkt der Reaktivierung des Brennstoffzellensystems 10. 6 zeigt die zeitlichen Verläufe des Sollöffnungsgrads des Ventils (Sollwert θd des Ventilöffnungsgrads), des tatsächlichen Ventilöffnungsgrads (Messwerts θm des Ventilöffnungsgrads), des Motordrehmoments und des PID-Erlaubnissignals. Das Motordrehmoment ist das vom Motor 243 (siehe 3) abgegebene Drehmoment, das das Luftventil bzw. das Ventil 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate antreibt. In 6 ist, wie in 5, in den Spalten des Ventilöffnungsgradmesswerts θm, des PID-Erlaubnissignals und des Motordrehmoments das Verhalten des Ventils bei Einsatz der vorliegenden Ausführungsform durch eine durchgezogene Linie und das Verhalten des Ventils im Stand der Technik (in einem Fall, in dem die PID-Regelung unmittelbar nach der Reaktivierung des Systems gestoppt wird) durch eine gestrichelte Linie dargestellt.
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Auch zum Zeitpunkt der in 6 gezeigten Reaktivierung bzw. des erneuten Startens kann das Auftreten eines Defekts verhindert werden, indem die Steuervorrichtung 600 die gleiche Abfolge der Ausführung und Nicht-Ausführung der PID-Regelung wie in den Schritten S3 bis S5 im Ablaufplan gemäß 4 ausführt.
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In einem Fall, in dem die Brennstoffzelle zum Zeitpunkt T4 gestoppt wird, sinkt der Sollwert θd des Ventilöffnungsgrads linear und monoton, um das Luftventil 240 vollständig zu schließen. Der Messwert θm des Ventilöffnungsgrads ändert sich so, dass er abnimmt, um dem Sollwert θd des Ventilöffnungsgrads zu folgen, während eine Zeitverzögerung zur Änderung des Sollwerts θd des Ventilöffnungsgrads vorliegt.
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In einem Fall, in dem die Reaktivierung zum Zeitpunkt T5 gestartet wird, wird im Stand der Technik das PID-Erlaubnissignal zum Zeitpunkt der Reaktivierung unbedingt ausgeschaltet, und die PID-Regelung wird nicht ausgeführt. Daher wird in einem Fall, in dem sich das Luftventil 240 in die Schließrichtung bewegt und der tatsächliche Ventilöffnungsgrad θm immer noch weit vom vollständig geschlossenen Zustand entfernt ist, wenn die PID-Regelung gestoppt wird, wie durch eine gestrichelte Linie in der Motordrehmomentspalte in 6 angezeigt, das Motordrehmoment 0 und das Drehmoment auf der Bremsseite nicht erzeugt, und somit geht das Luftventil 240 aufgrund der Vorspannkraft f2 der Feder 244 (3) des Luftventils 240, das ein normalerweise geschlossenes Ventil ist, sofort in den vollständig geschlossenen Zustand über. Wie durch eine gepunktete Linie in der Position des Messwerts θm des Ventilöffnungsgrads in 6 angedeutet, tritt im Ergebnis das Verhalten auf, bei dem der Ventilteller 242 mit hoher Geschwindigkeit auf die Seite des Ventilkörpers 241 auftrifft, und der Ventilteller 242 des Luftventils 240 wird zurückgestoßen.
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Andererseits kann dieses Problem in der vorliegenden Ausführungsform dadurch vermieden werden, dass die Steuervorrichtung 600 eine Bestimmung in Schritt S3 im Flussdiagramm von 4 ausführt. Das heißt, da die zweite Bedingung nicht erfüllt ist, nach der der Messwert θm des Ventilöffnungsgrads kleiner als der Schwellenwert des Messwerts θt2 ist, werden die Abläufe der Schritte S3 und S5 im Flussdiagramm von 4 ausgeführt, das PID-Erlaubnissignal wird im EIN-Zustand gehalten, und die PID-Regelung wird kontinuierlich ausgeführt. Im Ergebnis wird nach der Reaktivierung das Drehmoment auf der Bremsseite erzeugt, wie durch eine durchgezogene Linie in der Motordrehmomentspalte in 6 gezeigt, so dass das Luftventil 240 auf den Sollwert θ1 des Ventilöffnungsgrads wechseln kann, während es verzögert, wie in der Spalte des tatsächlichen Ventilöffnungsgrads θm in 6 gezeigt. Dadurch kann verhindert werden, dass der Ventilteller 242 des Luftventils 240 mit der Seite des Ventilkörpers 241 kollidiert, und der Verschleiß der Komponenten des Luftventils 240 kann unterdrückt werden.
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Nachdem der Messwert θm des Ventilöffnungsgrads zum Zeitpunkt T6 kleiner als der Schwellenwert θt2 des Messwerts ist, ist die zweite Bedingung erfüllt, gemäß der der Messwert θm des Ventilöffnungsgrads kleiner als der Schwellenwert des Messwerts θt2 ist, so dass die Abläufe der Schritte S3 und S4 im Ablaufplan nach 4 ausgeführt werden, das PID-Erlaubnissignal ausgeschaltet wird und die PID-Regelung nicht ausgeführt wird.
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Wie anhand der 4 bis 6 erläutert ist, wird bei dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Steuervorrichtung 600 dazu aufgebaut, die PID-Regelung des Ventilöffnungsgrads des Luftventils (Ventil 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate) in einem Fall nicht auszuführen, in dem sowohl die erste Bedingung als auch die zweite Bedingung erfüllt sind, das Überschießen in der Öffnungsrichtung des Ventiltellers 242 zum Zeitpunkt der Aktivierung des Systems kann unterdrückt werden, der Ventilteller 242 kann daran gehindert werden, zum Zeitpunkt des erneuten Startens des Systems mit hoher Geschwindigkeit auf den Ventilkörper 241 zu stoßen, und somit kann die Steuerung des Öffnungsgrads des Ventils 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate stabil ausgeführt werden.
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Die vorliegende Ausführungsform wurde mit Bezug auf spezifische Beispiele beschrieben. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf die spezifischen Beispiele beschränkt. Modifikationen mit konstruktiven Änderungen an den spezifischen Beispielen, die von Fachleuten vorgenommen werden können, fallen ebenfalls in den Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung, solange die Modifikationen die Merkmale der vorliegenden Offenbarung umfassen. Die in jedem der spezifischen Beispiele enthaltenen Elemente, deren Anordnung, Zustände, Formen und dergleichen sind nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt und können nach Bedarf geändert werden. Die Kombinationen der Elemente, die in jedem der spezifischen Beispiele enthalten sind, können geeignet geändert werden, solange es keinen technischen Widerspruch gibt.
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In der Ausführungsform wurde als ein Beispiel für das Ventil, das über die Ausführung und Nicht-Ausführung der PID-Regelung (Rückkopplungsregelung) entscheidet, das Ventil 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate beschrieben, aber das zu regelnde Ventil ist nicht auf das Ventil 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate beschränkt. Andere Ventile können verwendet werden, solange das Ventil im Strömungsweg (Luftzufuhrsystem 200 und Wasserstoffgas-Zufuhrsystem 300) angeordnet ist, durch den das der Brennstoffzelle 100 zugeführte Reaktionsgas fließt.
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In der Ausführungsform wurde beispielhaft der Aufbau beschrieben, in dem das durch die PID-Regelung zu regelnde Ventil 240 zur Einstellung der Abgabeströmungsrate das in 3 gezeigte Drosselventil ist, aber andere Arten von Ventilen können verwendet werden, solange der Ventilöffnungsgrad einstellbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2008088925 A [0002, 0004]
