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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung/Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern des Brennstoffzellensystems, welche imstande sind, eine Menge eines Gases zu berechnen, welches in einer kombinierten Weise ausgegeben wird beim Einstellen eines Brennstoffdrucks auf der Wasserstoffelektrodenseite eines Brennstoffzellenstapels durch Durchführen einer Steuerung eines Wasserstoffzufuhrventils anstelle des Verwendens eines separaten Sensors, und (welche) imstande sind, zusätzlichen Wasserstoff auf eine Weise zuzuführen, welche zur Menge des ausgegebenen Gases korrespondiert, in einem Vorgang des Ausgebens, in einer kombinierten Weise, von Kondenswasser innerhalb einer Wasserfalle und (von) gasförmigen Verunreinigungen innerhalb einer Wasserstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels. Daher kann ein Unterschießen oder ein Überschießen einer Menge von zugeführtem Wasserstoff verhindert werden. Dementsprechend kann die Effizienz (z.B. der Wirkungsgrad) des Brennstoffzellenstapels beim Erzeugen von elektrischer Leistung erhöht sein/werden und es kann verhindert werden, dass sich der Brennstoffzellenstapel verschlechtert (z.B. dass seine Leistung abnimmt).
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Hintergrund der Erfindung
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Hinsichtlich der Drucksteuerung zum Zuführen von Wasserstoff zu einer Wasserstoffelektrode (einer Anode) eines Brennstoffzellenstapels, wenn ein System zu arbeiten beginnt, ist/wird ein Wasserstoff-Absperrventil geöffnet und die Drucksteuerung für die Wasserstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels wird durchgeführt mit einer Steuerung des Öffnungsgrades des Wasserstoff-Zufuhrventils. In diesem Fall ist es möglich, dass eine Zufuhrmenge mit einem PWM-Taktsteuer-Befehl an das Wasserstoff-Zufuhrventil eingestellt wird.
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Der Zieldruck zum Zuführen des Wasserstoffs zur Wasserstoffelektrode wird gemäß einer erforderlichen Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels eingestellt.
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Insbesondere, wenn die erforderliche Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels erhöht wird, wird eine Durchflussrate von zugeführter Luft eingestellt, um erhöht zu sein/werden, wird der Druck für eine Luftelektrode eingestellt, um erhöht zu sein/werden, und wird der Zieldruck für die Wasserstoffelektrode eingestellt, um erhöht zu sein/werden.
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Darüber hinaus wird eine PI-Steuerung in einer solchen Weise konzipiert und durchgeführt, dass ein tatsächlich gemessener Wasserstoffdruck für die Wasserstoffelektrode dem Zieldruck folgt.
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Während des Betriebs wird, um eine Konzentration des Wasserstoffs zu erlangen, das Spülventil für eine bestimmte Zeit geöffnet und ein Spülen wird durchgeführt. An diesem Punkt, um den Druckabfall aufgrund des Ausgebens des Wasserstoffs während das Spülventil geöffnet ist im Voraus zu kompensieren, wird gemäß einem elektrischen Strom im Brennstoffzellenstapel zu einem Zeitpunkt, zu welchem das Spülventil geöffnet ist/wird, ein Zielwert für die Taktsteuerkompensation (z.B. Taktsteuerverhältniskompensation) für das Wasserstoffzufuhrventil gesetzt, um vorgesteuert zu sein, und wird eingestellt
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Wenn das Spülventil geöffnet ist/wird, wird Kondenswasser innerhalb einer Wasserfalle ausgegeben, und nachdem das Kondenswasser vollständig ausgegeben ist, wird das Spülen des Wasserstoffs natürlich (z.B. normal) durchgeführt. In einem Fall, in welchem ein Wasserniveausensor nicht bereitgestellt ist, um die Kosten des Systems zu reduzieren, ist es schwierig, einen Zeitpunkt zur Wasserstoffausgabe und eine Menge des ausgegebenen Wasserstoffs genau zu kennen. Außerdem gibt es ein Problem, dass es ein Überschießen oder ein Unterschießen des Drucks des zugeführten Wasserstoffs auftritt.
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Das Vorstehende ist nur dazu gedacht, das Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Offenbarung/Erfindung zu unterstützen, und ist nicht dazu gedacht, zu bedeuten, dass die vorliegende Offenbarung/Erfindung in den Bereich der bezogenen Technik fällt, welche einem Fachmann bereits bekannt ist.
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Erläuterung der Erfindung
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Ein Ziel der vorliegenden Offenbarung/Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern des Brennstoffzellensystems bereitzustellen, welche imstande sind, eine Menge eines Gases zu berechnen, welches in einer kombinierten Weise ausgegeben wird beim Einstellen eines Brennstoffdrucks auf der Wasserstoffelektrodenseite eines Brennstoffzellenstapels durch Durchführen einer Steuerung eines Wasserstoffzufuhrventils anstatt des Verwendens eines separaten Sensors, und (welche) imstande sind, zusätzlichen Wasserstoff auf eine Weise zuzuführen, welche zur Menge des ausgegebenen Gases korrespondiert, in einem Vorgang des Ausgebens, in einer kombinierten Weise, von Kondenswasser innerhalb einer Wasserfalle und (von) gasförmigen Verunreinigungen innerhalb einer Wasserstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels. Daher kann ein Unterschießen oder ein Überschießen einer Menge von zugeführtem Wasserstoff verhindert werden. Dementsprechend kann die Effizienz (z.B. der Wirkungsgrad) des Brennstoffzellenstapels beim Erzeugen von elektrischer Leistung erhöht sein/werden und es kann verhindert werden, dass sich der Brennstoffzellenstapel verschlechtert (z.B. dass seine Leistung abnimmt).
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung/Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, welches aufweist: eine Wasserstoffzufuhreinheit (z.B. eine Wasserstoffversorgungseinheit), welche mit einer Wasserstoffeinlassseite eines Brennstoffzellenstapels verbunden ist, wobei ein Zufuhrventil (z.B. ein Versorgungsventil) und ein Sensor in der Wasserstoffzufuhreinheit bereitgestellt sind, eine Wasserstoffabgabeeinheit (z.B. eine Wasserstoffausgabeeinheit), welche mit einer Wasserstoffauslassseite des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, wobei eine Wasserfalle (z.B. ein Wassersammler) und ein Spülventil (z.B. ein Abgabeventil) in der Wasserstoffabgabeeinheit bereitgestellt sind, und eine Steuereinheit, welche eingerichtet ist, um eine Menge von durch das Spülventil ausgegebenem Wasserstoff aus einer Menge von dem Brennstoffzellenstapel zugeführtem Wasserstoff und einer Menge von darin (z.B. in dem Brennstoffzellenstapel) verbrauchtem Wasserstoff zu berechnen, und um eine Kompensationssteuerung (z.B. eine Ausgleichssteuerung) des Zufuhrventils durchzuführen, wenn die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs bei oder über einem Referenzwert ist.
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In dem Brennstoffzellensystem kann der Sensor ein Drucksensor sein und kann zwischen dem Zufuhrventil und einem Ejektor (z.B. einem Ausstoßer) bereitgestellt sein.
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In dem Brennstoffzellensystem kann das Spülventil unterhalb der Wasserfalle bereitgestellt sein und, wenn das Spülventil geöffnet ist/wird, (dann) kann Kondenswasser (z.B. Kondensatwasser) innerhalb der Wasserfalle zuerst ausgegeben werden und dann kann Wasserstoff ausgegeben werden.
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In dem Brennstoffzellensystem kann die Steuereinheit die Menge des zugeführten Wasserstoffs aus dem Druck des zugeführten Wasserstoffs, welcher durch den Sensor gemessen wird, oder aus einer Durchflussrate des Wasserstoffs berechnen.
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In dem Brennstoffzellensystem kann die Steuereinheit die Menge des verbrauchten Wasserstoffs aus elektrischem Strom (z.B. aus einer Stärke des elektrischen Stroms), welcher vom Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird, berechnen.
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In dem Brennstoffzellensystem kann die Steuereinheit die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs durch Subtrahieren der Menge des verbrauchten Wasserstoffs von der Menge des zugeführten Wasserstoffs berechnen.
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In dem Brennstoffzellensystem kann die Steuereinheit die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs aus der Menge des zugeführten Wasserstoffs, der Menge des verbrauchten Wasserstoffs und einer Menge von im Brennstoffzellenstapel unter Druck stehendem (z.B. unter Druck gesetztem) Wasserstoff berechnen.
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In dem Brennstoffzellensystem kann die Steuereinheit die Menge des unter Druck stehenden Wasserstoffs aus einem Innendruck einer Wasserstoffelektrode (z.B. einem Innendruck in einer Wasserstoffelektrode) des Brennstoffzellenstapels berechnen.
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In dem Brennstoffzellensystem kann die Steuereinheit die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs durch Subtrahieren der Menge des verbrauchten Wasserstoffs und der Menge des im Brennstoffzellenstapel unter Druck stehenden Wasserstoffs von der Menge des zugeführten Wasserstoffs berechnen.
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In dem Brennstoffzellensystem, wenn die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs bei oder über (z.B. größer gleich) dem Referenzwert ist, (dann) kann die Steuereinheit einen Kompensationswert (z.B. einen Ausgleichswert) aus der Menge des ausgegebenen Wasserstoffs berechnen und (dann) kann (die Steuereinheit) das Zufuhrventil mit einem Wert steuern (z.B. ansteuern), welcher durch Addieren des Kompensationswerts zu einem Steuerwert, mit welchem das Zufuhrventil gesteuert wird (z.B. bislang gesteuert wurde, z.B. bis vor dem Addieren gesteuert wurde), erlangt wird, wodurch ein Unterschießen (z.B. Unterschreiten, z.B. Unterschwingen) oder ein Überschießen (z.B. Überschreiten, z.B. Überschwingen) der Menge des zugeführten Wasserstoffs verhindert wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung/Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern des oben beschriebenen Brennstoffzellensystems bereitgestellt, wobei das Verfahren aufweist: Berechnen einer Menge von dem Brennstoffzellenstapel zugeführtem Wasserstoff und einer Menge von darin (z.B. im Brennstoffzellenstapel) verbrauchtem Wasserstoff, Berechnen einer Menge von ausgegebenem Wasserstoff aus der Menge des dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Wasserstoffs und der Menge des darin verbrauchten Wasserstoffs, Ermitteln, ob die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs bei oder über (z.B. größer gleich) einem Referenzwert ist oder nicht, und Durchführen einer Kompensationssteuerung (z.B. einer Ausgleichssteuerung) für die Menge des durch das Zufuhrventil zugeführten Wasserstoffs, wenn die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs bei oder über dem Referenzwert ist.
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In dem Verfahren kann beim Berechnen der Menge des ausgegebenen Wasserstoffs die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs aus der Menge des zugeführten Wasserstoffs, der Menge des verbrauchten Wasserstoffs und einer Menge von im Brennstoffzellenstapel unter Druck stehendem (z.B. unter Druck gesetztem) Wasserstoff berechnet werden.
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Im Verfahren kann beim Berechnen der Menge des ausgegebenen Wasserstoffs die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs berechnet werden durch Subtrahieren der Menge des verbrauchten Wasserstoffs und der Menge des im Brennstoffzellenstapel unter Druck stehenden Wasserstoffs von der Menge des zugeführten Wasserstoffs.
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Im Verfahren beim Durchführen der Kompensationssteuerung für die Menge des zugeführten Wasserstoffs, wenn die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs bei oder über dem Referenzwert ist, (dann) kann ein Kompensationswert berechnet werden aus der Menge des ausgegebenen Wasserstoffs und (dann) kann das Zufuhrventil mit einem Wert gesteuert werden, welcher durch Addieren des Kompensationswerts zu einem Steuerwert, mit welchem das Zufuhrventil gesteuert wird (z.B. bislang gesteuert wurde), erlangt wird, wodurch ein Unterschießen (z.B. Unterschreiten, z.B. Unterschwingen) oder ein Überschießen (z.B. Überschreiten, z.B. Überschwingen) der Menge des zugeführten Wasserstoffs verhindert wird.
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Mit dem Brennstoffzellensystem und dem Verfahren zum Steuern des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Offenbarung/Erfindung wird in einem Vorgang des Ausgebens, in einer kombinierten Weise, des Kondenswassers innerhalb der Wasserfalle und der gasförmigen Verunreinigungen innerhalb der Wasserstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels die Menge des Gases, welches in einer kombinierten Weise beim Einstellen des Brennstoffdrucks auf der Wasserstoffelektrodenseite des Brennstoffzellenstapels ausgegeben wird, berechnet durch Durchführen der Steuerung des Wasserstoffzufuhrventils anstelle des Verwendens eines separaten Sensors, und zusätzlicher Wasserstoff wird in einer Weise zugeführt, welche zur Menge des ausgegebenen Gases korrespondiert. Daher kann das Überschießen (z.B. Überschreiten, z.B. Überschwingen) oder das Unterschießen (z.B. Unterschreiten, z.B. Unterschwingen) der Menge des zugeführten Wasserstoffs verhindert werden. Dementsprechend kann die Effizienz (z.B. der Wirkungsgrad) des Brennstoffzellenstapels beim Erzeugen von elektrischer Leistung erhöht sein/werden und es kann verhindert werden, dass sich der Brennstoffzellenstapel verschlechtert (z.B. dass seine Leistung abnimmt).
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Figurenliste
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Die obigen und weitere Ziele, Merkmale/Eigenschaften und weitere Vorteile der vorliegenden Offenbarung/Erfindung werden klarer verstanden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, wenn sie mit den begleitenden Zeichnungen zusammengenommen wird, in welchen:
- 1 eine Ansicht ist, welche eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung/Erfindung darstellt,
- 2 ein Blockdiagramm ist, welches die Steuerung des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung/Erfindung darstellt,
- 3 ein Diagramm ist, welches Ergebnisse der Steuerung des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung/Erfindung darstellt, und
- 4 ein Flussdiagramm ist, welches ein Verfahren zum Steuern des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung/Erfindung darstellt.
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Ausführliche Beschreibung
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1 ist eine Ansicht, welche eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung/Erfindung darstellt. 2 ist ein Blockdiagramm, welches die Steuerung des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung/Erfindung darstellt. 3 ist ein Diagramm, welches Ergebnisse der Steuerung des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung/Erfindung darstellt. 4 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Steuern des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung/Erfindung darstellt.
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Wie in 1, das heißt der Ansicht, welche das Brennstoffzellensystem gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung/Erfindung darstellt, dargestellt, weist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Offenbarung/Erfindung auf: eine Wasserstoffzufuhreinheit (z.B. eine Wasserstoffversorgungseinheit) 100, eine Wasserstoffabgabeeinheit (z.B. eine Wasserstoffausgabeeinheit) 300 und eine Steuereinheit 700. Die Wasserstoffzufuhreinheit 100 ist mit der Wasserstoffeinlassseite eines Brennstoffzellenstapels 500 verbunden. Ein Zufuhrventil (z.B. Versorgungsventil) 120 und ein Sensor 130 sind in der Wasserstoffzufuhreinheit 100 bereitgestellt. Die Wasserstoffabgabeeinheit 300 ist mit der Wasserstoffauslassseite des Brennstoffzellenstapels 500 verbunden. Eine Wasserfalle (z.B. ein Wassersammler) 320 und ein Spülventil (z.B. ein Abgabeventil) 340 sind in der Wasserstoffabgabeeinheit 300 bereitgestellt. Die Steuereinheit 700 berechnet eine Menge des durch das Spülventil 340 ausgegebenen (z.B. abgegebenen) Wasserstoffs aus einer Menge von dem Brennstoffzellenstapel 500 zugeführtem Wasserstoff und einer Menge von darin verbrauchtem Wasserstoff. Wenn die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs bei oder über (z.B. größer gleich) einem Referenzwert ist, (dann) führt die Steuereinheit 700 eine Kompensationssteuerung (z.B. eine Ausgleichssteuerung) des Zufuhrventils 120 durch.
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Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Offenbarung/Erfindung ist nicht mehr ausgestattet mit einem Ventil, welches im Stand der Technik zwischen der Wasserfalle 320 und einem Auslass einer Wasserstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels 500 bereitgestellt sein muss, und (ist nicht mehr ausgestattet) mit einem Wasserniveausensor (z.B. einem Wasserstandsensor), welcher im Stand der Technik innerhalb der Wasserfalle 320 bereitgestellt sein muss. Das Brennstoffzellensystem (gemäß der Offenbarung/Erfindung) ist ein System, welches auf einer Technologie basiert, welche den großen Vorteil bietet, die Konfiguration (z.B. den Aufbau) zu vereinfachen und daher Kosten und Gewicht zu reduzieren.
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Insbesondere, wie in 1 dargestellt, werden einer Wasserstoffelektrode 520 und einer Sauerstoffelektrode 540 des Brennstoffzellenstapels 500 Wasserstoff und Luft in zugeordneter Weise zugeführt. Daher wird Wasser erzeugt und wird elektrischer Strom erzeugt. Der verbleibende Wasserstoff wird durch das Spülventil 340 der Wasserstoffabgabeeinheit 300 ausgegeben.
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Der Druck muss eingestellt werden, um den Wasserstoff zuzuführen. Ein Absperrventil (z.B. ein Blockierventil) 110 ist bereitgestellt, um unmittelbar stromaufwärts vom Zufuhrventil 120 angeordnet zu sein. Das Absperrventil 110 ist ein Ein/Aus-Ventil (z.B. ein Auf/Zu-Ventil). Die Durchflussrate eines Fluids, welches das Zufuhrventil 120 durchläuft, wird durch eine PWM-Steuerung gesteuert.
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Daher, gemäß der vorliegenden Offenbarung/Erfindung, ist die Wasserstoffzufuhreinheit 100 mit der Wasserstoffeinlassseite des Brennstoffzellenstapels 500 verbunden. Das Zufuhrventil 120 und der Sensor 130 sind in der Wasserstoffzufuhreinheit 100 bereitgestellt. Der Sensor 130 ist ein Drucksensor und ist zwischen dem Zufuhrventil 120 und einem Ejektor 140 bereitgestellt. En Sensor 150 ist zusätzlich bereitgestellt, um den Druck der (z.B. in der, z.B. an der) Wasserstoffelektrode zu messen.
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Die Wasserstoffabgabeeinheit 300 ist mit der Wasserstoffauslassseite des Brennstoffzellenstapels 500 verbunden. Die Wasserfalle 320 und das Spülventil 340 sind in der Wasserstoffabgabeeinheit 300 bereitgestellt. Das Spülventil 340 ist unterhalb der Wasserfalle 320 bereitgestellt und hat eine Struktur, in welcher, wenn das Spülventil 340 geöffnet ist/wird, Kondenswasser innerhalb der Wasserfalle 320 (z.B. innerhalb der Wasserfalle 320 befindliches Kondenswasser) zuerst ausgegeben wird, aufgrund der Schwerkraft, in welcher danach ein Strömungspfad gebildet ist/wird und in welcher Innen-Wasserstoff (z.B. Wasserstoff aus dem Inneren, z.B. darin befindlicher Wasserstoff) dann (z.B. wiederum danach) ausgegeben wird. Daher, in einem Fall, in welchem der Wasserniveausensor nicht bereitgestellt ist, ist es sehr wichtig, einen Zeitpunkt, zu (z.B. an) welchem das Kondenswasser vollständig (z.B. das gesamte Kondenswasser) ausgegeben ist/wird, und einen Zeitpunkt, zu (z.B. an) welchem der Wasserstoff beginnt, ausgegeben zu werden, genau zu messen.
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Zu diesem Zweck berechnet die Steuereinheit 700 die Menge des Wasserstoffs, welcher durch das Spülventil 340 ausgegeben wird, aus der Menge des Wasserstoffs, welcher dem Brennstoffzellenstapel 500 zugeführt wird, und (aus) der Menge des darin verbrauchten Wasserstoffs. Wenn die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs bei oder über dem Referenzwert liegt, (dann) führt die Steuereinheit 700 die Kompensationssteuerung des Zufuhrventils 120 durch.
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Als Referenz ist die Steuereinheit 700 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung/Erfindung als ein nichtflüchtiger Speicher (nicht dargestellt) und (als) ein Prozessor (nicht dargestellt) verwirklicht. Der nichtflüchtige Speicher ist eingerichtet, um Algorithmen zum Steuern von Vorgängen verschiedener Komponenten eines Fahrzeugs oder Daten über Softwarebefehle zum Ausführen der Algorithmen zu speichern. Der Prozessor ist eingerichtet, um unten beschriebene Vorgänge unter Verwendung der im nichtflüchtigen Speicher gespeicherten Daten durchzuführen. Der Speicher und der Prozessor sind hier als einzelne Chips verwirklicht. Alternativ können der Speicher und der Prozessor als ein einziger integrierter Chip verwirklicht sein. Der Prozessor kann eine Kombination aus zwei oder mehr Prozessoren sein.
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Wie in 2, das heißt dem Blockdiagramm zum Darstellen der Steuerung des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung/Erfindung, dargestellt, wird eine Rückkopplungssteuerung mit einem Befehl an das Zufuhrventil 120 in einer solchen Weise durchgeführt, dass FP (gemessener Wasserstoffdruck) FP_T (Zielwasserstoffdruck) folgt, welcher gemäß dem Grad der Ausgabe (z.B. dem Grad der Leistung, z. B. dem Grad der Ausgangsleistung) aus dem Brennstoffzellenstapel 500 eingestellt ist/wird.
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Wenn die Durchflussrate des ausgegebenen Wasserstoffs einen Referenzwert übersteigt, nachdem das Spülventil 340 geöffnet ist/wird/wurde, um ein Spülen (z.B. eine Ausgabe, z.B. ein Ablassen) durchzuführen, ist es möglich, dass ein Zeitpunkt, zu (z.B. an) welchem das Spülen (z.B. das Ausgeben) des Kondenswassers abgeschlossen ist/wird, als ein Zeitpunkt für das Spülen (z.B. das Ausgeben) des Wasserstoffs ermittelt wird. Die Durchflussrate des ausgegebenen Wasserstoffs wird durch den Ausdruck „Durchflussrate für die Zufuhr - Durchflussrate für die Ausgabe - Durchflussrate für die Druckanwendung“ berechnet.
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Nach dem das Spülventil 340 geöffnet ist/wird/wurde, von dem Zeitpunkt (an), zu (z.B. an) welchem die Spülen des Wasserstoffs ermittelt wird/wurde, bis zu dem Zeitpunkt, zu (z.B. an) welchem das Spülen beendet ist/wird, wird die Kompensationssteuerung mit dem Befehl an das Zufuhrventil 120 durchgeführt, um zusätzlich so viel Wasserstoff wie eine Durchflussrate des gespülten Wasserstoffs (z.B. des abgegebenen Wasserstoffs, z.B. des ausgespülten Wasserstoffs, z.B. des ausgegebenen Wasserstoffs) zuzuführen (z.B. um eine Menge von Wasserstoff zuzuführen, welche der Menge des gespülten Wasserstoffs entspricht). Der Grund für das Durchführen der Kompensationssteuerung ist, dass es ohne eine solche Kompensation eine Wahrscheinlichkeit gibt, dass ein übermäßiges Druckunterschießen (z.B. Druckunterschreiten) auftritt (z.B. auftreten wird/kann), aufgrund der Wasserstoffausgabe.
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Darüber hinaus, wenn die Kompensationssteuerung zu früh durchgeführt wird, nachdem das Spülventil 340 geöffnet ist/wird/wurde, gibt es eine Wahrscheinlichkeit, dass ein übermäßiges Drucküberschießen (z.B. ein übermäßiges Drucküberschreiten) auftritt (z.B. auftreten wird/kann), aufgrund der im Voraus vorgenommenen Kompensation.
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Daher berechnet die Steuereinheit 700 die Menge des durch das Spülventil 340 ausgegebenen Wasserstoffs aus der Menge des dem Brennstoffzellenstapel 500 zugeführten Wasserstoffs und (aus) der Menge des darin verbrauchten Wasserstoffs.
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Dann, wenn die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs bei oder über dem Referenzwert liegt, führt die Steuereinheit 700 die Kompensationssteuerung des Zufuhrventils 120 durch.
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Die Menge des zugeführten Wasserstoffs wird aus dem Druck des zugeführten Wasserstoffs, welcher durch den Sensor 130 gemessen wird, oder aus der Durchflussrate des Wasserstoffs berechnet.
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Dann berechnet die Steuereinheit 700 die Menge des verbrauchten Wasserstoffs aus dem elektrischen Strom, welcher vom Brennstoffzellenstapel 500 ausgegeben wird. Insbesondere ist es möglich, dass die Menge des verbrauchten Wasserstoffs mittels der folgenden Gleichung berechnet wird.
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Verbrauchsmenge:
(Berechnung einer Menge von Wasserstoff, welcher aufgrund von elektrischem Strom in einer Brennstoffzelle verbraucht wird),
wobei I der elektrische Strom (ein gemessener Wert) in der Brennstoffzelle ist, n die Anzahl an Zellen (ein Gestaltungswert) in einem Brennstoffzellenstapel ist und F eine Faraday-Konstante ist.
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Die Steuereinheit 700 berechnet die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs durch Subtrahieren der Menge des verbrauchten Wasserstoffs von der Menge des zugeführten Wasserstoffs. Genauer gesagt, berechnet die Steuereinheit 700 die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs aus der Menge des zugeführten Wasserstoffs, der Menge des verbrauchten Wasserstoffs und einer Menge von im Brennstoffzellenstapel 500 unter Druck stehendem (z.B. unter Druck gesetztem) Wasserstoff.
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Die Menge des verbrauchten Wasserstoffs wird hier aus dem elektrischen Strom berechnet, welcher vom Brennstoffzellenstapel 500 ausgegeben wird. Insbesondere ist es möglich, dass die Menge des verbrauchten Wasserstoffs mittels der folgenden Gleichung berechnet wird.
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Verbrauchsmenge:
(Berechnung einer Menge von Wasserstoff, welcher aufgrund von elektrischem Strom in einer Brennstoffzelle verbraucht wird),
wobei I der elektrische Strom (ein gemessener Wert) in der Brennstoffzelle ist, n die Anzahl an Zellen (ein Gestaltungswert) in einem Brennstoffzellenstapel ist und F eine Faraday-Konstante ist.
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Dann berechnet die Steuereinheit 700 die Menge des unter Druck stehenden Wasserstoffs (z.B. des unter Druck gesetzten Wasserstoffs) aus einem Innendruck der (z.B. in der, z.B. an der) Wasserstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels 500. Insbesondere ist es möglich, dass die Menge des unter Druck stehenden Wasserstoffs (z.B. des unter Druck gesetzten Wasserstoffs) mittels der folgenden Gleichung berechnet wird.
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Menge der Druckbeaufschlagung: PV = nRT (Berechnung von einer Menge von Wasserstoff zur Druckerzeugung für eine Anode),
wobei V ein Volumen (ein Gestaltungswert) der Anode ist, P ein Druck der Anode ist (FP ist ein gemessener Wert und FP_T ist ein Zielwert), R eine ideale Gaskonstante ist und T eine Temperatur (ein gemessener Wert) (Umrechnung in absolute Temperatur) der Anode ist.
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Wie oben beschrieben, wird die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs als ein Ergebnis des Subtrahierens der Menge des verbrauchten Wasserstoffs und der Menge des unter Druck stehenden Wasserstoffs von der Menge des zugeführten Wasserstoffs erlangt. Ein Zeitpunkt, zu (z.B. an) welchem die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs nicht mehr klein ist, sondern anfängt, erhöht zu sein/werden (z.B. anzusteigen), kann als ein Zeitpunkt angesehen werden, an (z.B. zu) welchem das Kondenswasser vollständig (z.B. das gesamte Kondenswasser) ausgegeben ist/wird und an (z.B. zu) welchem der Wasserstoff anfängt, signifikant ausgegeben zu werden (z.B. an/zu welchem angefangen wird, den Wasserstoff signifikant auszugeben).
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Das heißt, die Steuereinheit 700 berechnet die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs durch Subtrahieren der Menge des verbrauchten Wasserstoffs und der Menge des im Brennstoffzellenstapel 500 unter Druck stehenden Wasserstoffs von der Menge des zugeführten Wasserstoffs.
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Dementsprechend, wenn die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs bei oder über dem Referenzwert ist, (dann) berechnet die Steuereinheit 700 einen Kompensationswert (z.B. einen Ausgleichswert) aus der Menge des ausgegebenen Wasserstoffs und (dann) steuert (die Steuereinheit 700) das Zufuhrventil 120 mit einem Wert, welcher durch Addieren des Kompensationswerts zu einem Steuerwert, mit welchem das Zufuhrventil 120 gesteuert wird (z.B. bislang gesteuert wird, z.B. bis vor dem Addieren gesteuert wurde), erlangt wird, wodurch das Unterschießen (z.B. Unterschreiten) oder das Überschießen (z.B. Überschreiten) der Menge des zugeführten Wasserstoffs verhindert wird.
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Wie in 3, das heißt dem Diagramm, welches die Ergebnisse der Steuerung des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung/Erfindung darstellt, dargestellt ist, wenn das Spülventil 340 geöffnet ist/wird, (dann) wird zunächst das Kondenswasser ausgegeben und dann wird der Wasserstoff ausgegeben. Daher ist es möglich, dass ein Punkt A, an welchem die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs erhöht ist/wird, von/aus einem Zeitpunkt (z.B. von einem Zeitpunkt an) identifiziert (z.B. ermittelt) wird, an (z.B. zu) welchem das Ausgeben des Kondenswassers beendet ist/wird.
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Daher, wenn die Kompensationssteuerung signifikant (z.B. in erheblichem Maße) durchgeführt wird für den Wasserstoff, welcher nach Punkt A zugeführt wird, kann ein Phänomen verhindert werden, bei welchem das Unterschießen (z.B. das Unterschreiten, z.B. das Unterschwingen) des Drucks zum Zuführen des Wasserstoffs zeitweise (z.B. kurzzeitig) auftritt, wie durch Linie D angegeben. Darüber hinaus kann das Überschießen (z.B. das Überschreiten, z.B. das Überschwingen), wie durch Linie C angegeben, verhindert werden, welches auftritt, wenn die Kompensationssteuerung vor Punkt A durchgeführt wird.
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Daher wird der Druck des Wasserstoffs, welcher mit der Steuerung gemäß der vorliegenden Offenbarung/Erfindung zugeführt wird, auf eine solche Weise gesteuert, dass er zuverlässig dem Zieldruck folgt, welcher durch Linie B angegeben ist.
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Wie in 4, das heißt dem Flussdiagramm, welches das Verfahren zum Steuern des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung/Erfindung darstellt, dargestellt, weist das Verfahren zum Steuern des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Offenbarung/Erfindung auf: Schritte S100, S110 und S120 des Berechnens der Menge des dem Brennstoffzellenstapel 500 zugeführten Wasserstoffs und der Menge des darin verbrauchten Wasserstoffs, Schritt S200 des Berechnens der Menge des ausgegebenen Wasserstoffs aus der Menge des dem Brennstoffzellenstapel 500 zugeführten Wasserstoffs und der Menge des darin verbrauchten Wasserstoffs, Schritt S210 des Ermittelns, ob die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs bei oder über dem Referenzwert ist oder nicht, und Schritte S300 und S310 des Durchführens der Kompensationssteuerung für die Menge des durch das Zufuhrventil 120 zugeführten Wasserstoffs, wenn die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs bei oder über dem Referenzwert ist.
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In Schritt S200 des Berechnens der Menge des ausgegebenen Wasserstoffs wird die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs berechnet durch Subtrahieren der Menge des verbrauchten Wasserstoffs und der Menge des im Brennstoffzellenstapel 500 unter Druck stehenden (z.B. unter Druck gesetzten) Wasserstoffs von der Menge des zugeführten Wasserstoffs.
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Insbesondere wird in den Schritten S300 und S310 des Durchführens der Kompensationssteuerung für die Menge des Wasserstoffs (z.B. des zugeführten Wasserstoffs), wenn die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs bei oder über dem Referenzwert ist, der Kompensationswert aus der Menge des ausgegebenen Wasserstoffs berechnet, und das Zufuhrventil 120 wird final mit dem Wert gesteuert, welcher durch Addieren des Kompensationswerts zum Steuerwert, mit welchem das Zufuhrventil 120 gesteuert wird (z.B. gesteuert wird/wurde bevor es final gesteuert wird), erlangt wird. Daher kann das Unterschießen oder das Überschießen der Menge des zugeführten Wasserstoffs verhindert werden. Wenn die Menge des ausgegebenen Wasserstoffs unter dem Referenzwert ist, (dann) wird der Druck für das Zuführen des Wasserstoffs mit einer allgemeinen Rückkopplungssteuerung (z.B. Rückkopplungsregelung) auf eine Weise gesteuert, welche dem Zieldruck folgt (z.B. sodass der Druck für das Zuführen des Wasserstoffs dem Zieldruck folgt) (Schritte S400, S410 und S500).
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Mit dem Brennstoffzellensystem und dem Verfahren zum Steuern des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Offenbarung/Erfindung wird in einem Vorgang des Ausgebens, in einer kombinierten Weise, des Kondenswassers innerhalb der Wasserfalle 320 und gasförmiger Verunreinigungen innerhalb der Wasserstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels 500 eine Menge von Gas, welches in einer kombinierten Weise beim Einstellen des Brennstoffdrucks auf der Wasserstoffelektrodenseite des Brennstoffzellenstapels 500 ausgegeben wird, berechnet durch Durchführen der Steuerung des Zufuhrventils 120 anstelle des Verwendens eines separaten Sensors, und zusätzlicher Wasserstoff wird in einer Weise zugeführt, welche zur Menge des ausgegebenen Gases korrespondiert. Daher kann das Überschießen (z.B. Überschreiten, z.B. Überschwingen) oder das Unterschießen (z.B. Unterschreiten, z.B. Unterschwingen) der Menge des zugeführten Wasserstoffs verhindert werden. Dementsprechend kann die Effizienz (z.B. der Wirkungsgrad) des Brennstoffzellenstapels 500 beim Erzeugen von elektrischer Leistung erhöht sein/werden und es kann verhindert werden, dass sich der Brennstoffzellenstapel 500 verschlechtert (z.B. dass seine Leistung abnimmt).
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Obwohl die spezifische Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung/Erfindung für veranschaulichende Zwecke beschrieben wurde, wird ein Fachmann erkennen, dass verschiedene Änderungen, Ergänzungen und Substitutionen möglich sind, ohne vom Umfang und Inhalt der Erfindung abzuweichen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen offenbart ist.
