DE112004000811T5

DE112004000811T5 - Betriebssteuerung für ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112004000811T5
Application number: DE112004000811T
Authority: DE
Inventors: Naohiro Toyota Yoshida; Tetsuya Toyota Bono; Kenji Toyota Kurita; Hiroaki Toyota Mori
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2006-03-02
Also published as: US7638218B2; CN100377407C; WO2004102719A1; CN1802766A; US20060110640A1; JP4929556B2; JP2004342386A

Abstract

Brennstoffzellensystem mit:
einem Brennstoffzellenstapel, der Wasserstoff- und Sauerstoffzufuhren aufnimmt und eine elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion der Wasserstoff- und Sauerstoffzufuhren erzeugt,
einem Wasserstoffbehälter, der Wasserstoff unter einem Druck speichert, der vor der Zufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel nicht niedriger als der Atmosphärendruck ist;
einem Wasserstoffzuführungskanal, der den Wasserstoffbehälter mit dem Brennstoffzellenstapel verbindet;
einem Druckregulator, der in einem Pfad des Wasserstoffzuführungskanals vorgesehen ist und den Atmosphärendruck zum Reduzieren des Druckes der Wasserstoffzufuhr aus dem Wasserstoffbehälter zu dem Brennstoffzellenstapel nutzt;
einer Atmosphärendruckmesseinheit, die den Atmosphärendruck misst, der auf den Druckregulator aufgebracht wird; und
einem Steuerzustandsänderungsmodul, das eine voreingestellte Steuervariable ändert, die bei der Steuerung des Brennstoffzellensystems einbezogen ist, und zwar gemäß dem gemessenen Atmosphärendruck, um eine mögliche Wirkung einer sich ändernden Entspannungsfunktion des Druckregulators bei einer Änderung des Atmosphärendrucks zu reduzieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Technik zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems.
ZUGERHÖRIGER STAND DER TECHNIK
Neuerdings wurden Brennstoffzellensysteme als neue Energiequellen beachtet, die elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff erzeugen. Das Brennstoffzellensystem erfordert eine Wasserstoffzufuhr zur Erzeugung von Leistung. Der dem Brennstoffzellensystem zuzuführende Wasserstoff wird unter Druck in einem Wasserstoffbehälter gespeichert, und er wird auf ein voreingestelltes Druckniveau durch einen Druckregulator vor der Zufuhr entspannt.
Ein übliches Beispiel des Druckregulators zum Entspannen des mit Druck beaufschlagten Wasserstoffes ist ein Membranregulator. Bei dem in der japanischen Patentoffenlegungsschrift JP-2002-75418 offenbarten Membranregulator wird eine sekundäre Druckzufuhr von Wasserstoff, der in einem Wasserstoffbehälter gespeichert ist, auf das atmosphärische Niveau dadurch reduziert, dass der Atmosphärendruck als ein Referenzdruck in eine Membrankammer eingeführt wird.
Der Atmosphärendruck ändert sich gemäß der Höhe des Ortes des Brennstoffzellensystems und gemäß den klimatischen Bedingungen. Bei dem herkömmlichen Brennstoffzellensystem kann sich der Druck der Wasserstoffzufuhr instabil ändern, die aus dem Druckregulator herausströmt. Der sich ändernde Druck der Wasserstoffzufuhr kann die stabile Abgabe der elektrischen Leistung beeinträchtigen. Auch bei dem normalen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems kann der sich ändernde Druck der Wasserstoffzufuhr eine Sicherheitsvorrichtung aktivieren und zu einer fehlerhaften Bestimmung eines anormalen Zustandes des Brennstoffzellensystems führen. Eine derartige fehlerhafte Bestimmung kann ernsthafte Schwierigkeiten verursachen, insbesondere beim Bewegen von Körpern, die mit dem Brennstoffzellensystem ausgestattet sind, wie zum Beispiel Kraftfahrzeuge, Flugzeuge und Schienenfahrzeuge.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, den Nachteil beim Stand der Technik zu beseitigen und die mögliche Wirkung eines sich ändernden Druckes einer Wasserstoffzufuhr zu einem Brennstoffzellensystem bei einer Änderung des atmosphärischen Druckes zu reduzieren.
Um zumindest einen Teil der vorstehend genannten Aufgabe sowie weitere dazugehörige Aufgaben zu lösen, widmet sich die vorliegende Erfindung auf ein Brennstoffzellensystem, das Folgendes aufweist: einen Brennstoffzellestapel, der Zufuhren von Wasserstoff und Sauerstoff aufnimmt und eine elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion der Wasserstoff- und Sauerstoffzufuhren erzeugt; einen Wasserstoffbehälter, der Wasserstoff unter einem Druck speichert, der vor der Zufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel nicht niedriger als der Atmosphärendruck ist; einen Wasserstoffzuführungskanal, der den Wasserstoffbehälter mit dem Brennstoffzellenstapel verbindet; einen Druckregulator, der in dem Pfad des Wasserstoffzuführungskanals vorgesehen ist und den Atmosphärendruck nutzt, um den Druck der Wasserstoffzufuhr von dem Wasserstoffbehälter zu dem Brennstoffzellenstapel zu reduzieren; eine Atmosphärendruckmesseinheit, die den Atmosphärendruck misst, der auf den Druckregulator aufgebracht wird; und ein Steuerzustandsänderungsmodul, das eine voreingestellte Steuervariante ändert, die bei der Steuerung des Brennstoffzellensystems einbezogen ist, und zwar gemäß dem gemessenen Atmosphärendruck, um eine mögliche Wirkung einer Änderung der Entspannungsfunktion des Druckregulators bei einer Änderung des Atmosphärendrucks zu reduzieren.
Es ist ein Verfahren zum Steuern des Betriebs entsprechend dem Brennstoffzellensystem der Erfindung vorhanden. Eine andere Anwendung der Erfindung ist nämlich ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems. Das Verfahren zum Steuern des Betriebs beinhaltet die folgenden Schritte: Vorsehen einer Speicherung von Wasserstoff unter einem Druck, der nicht geringer als der Atmosphärendruck ist, und zwar in einem Wasserstoffbehälter, wobei der Wasserstoff einem Brennstoffzellenstapel zuzuführen ist, der Zufuhren von Wasserstoff und Sauerstoff aufnimmt und eine elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion der Wasserstoff- und Sauerstoffzufuhren erzeugt; Reduzieren des Druckes der Wasserstoffzufuhr von dem Wasserstoffbehälter zu dem Brennstoffzellenstapel mittels eines Druckregulators, der in dem Pfad eines Wasserstoffzuführungskanals vorgesehen ist, der den Wasserstoffbehälter mit dem Brennstoffzellenstapel verbindet, und der den Atmosphärendruck zum Entspannen des Wasserstoffdrucks nutzt; Messen des auf den Druckregulator aufgebrachten Atmosphärendrucks; und Ändern einer voreingestellten Steuervariablen, die bei der Steuerung des Brennstoffzellensystems einbezogen ist, und zwar gemäß dem gemessenen Atmosphärendruck, um eine mögliche Wirkung einer veränderten Entspannungsfunktion des Druckregulators bei einer Änderung des Atmosphärendrucks zu reduzieren.
Bei dem Brennstoffzellensystem der Erfindung und bei dem Verwendung zum Steuern des Betriebes des Brennstoffzellensystems wird die Korrekturvariable, die bei der Steuerung des Brennstoffzellensystems einbezogen ist, so geändert, dass die mögliche Wirkung der sich ändernden Entspannungsfunktion des Druckregulators bei einer Änderung des Atmosphärendrucks reduziert wird. Der Druckregulator, der dem Druck der Wasserstoffzufuhr mit Unterstützung des Atmosphärendrucks reduziert, ist zum Beispiel ein Druckregulatorventil oder ein Entlastungsventil.
Bei einem bevorzugten Aufbau der Erfindung weist das Brennstoffzellensystem des Weiteren Folgendes auf: eine Wasserstoffdruckmesseinheit, die in dem Pfad des Wasserstoffzuführungskanals vorgesehen ist und den Druck der Wasserstoffzufuhr zwischen dem Druckregulator und dem Brennstoffzellenstapel misst; und ein Anomalitätsdiagnosemodul, das den gemessenen Druck der Wasserstoffzufuhr mit einem voreingestelltem Schwellwert zur Anomalitätserfassung als die Steuervariable vergleicht, um einen anormalen Zustand des Brennstoffzellensystems zu diagnostizieren. Bei diesem Ausführungsbeispiel ändert das Steuerzustandsänderungsmodul den Schwellwert zur Anomalitätserfassung bei einer Änderung des Atmosphärendrucks.
Auch in dem Zustand eines sich ändernden Drucks der Wasserstoffzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel bei einer Änderung des Atmosphärendrucks verhindert diese Anordnung in wirksamer Weise eine fehlerhafte Bestimmung des anomalen Zustandes durch das Anomalitätsdiagnosemodul.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems der Erfindung ist die Steuervariable eine Durchsatzrate der Wasserstoffzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel, und das Steuerzustandsänderungsmodul ändert die Durchsatzrate der Wasserstoffzufuhr gemäß dem gemessenen Atmosphärendruck.
Dies gleicht die sich ändernde Wasserstoffzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel bei einer Änderung des Atmosphärendrucks aus.
Bei einem anwendbaren Aufbau weist das Brennstoffzellensystem von diesem Ausführungsbeispiel des Weiteren Folgendes auf: ein Rückführungsrohr, das einen Anodenabgasauslass des Brennstoffzellenstapels mit dem Wasserstoffzuführungskanal verbindet, um ein Anodenabgas, das aus dem Brennstoffzellenstapel ausgelassen wird, in dem Wasserstoffzuführungskanal zurückzuführen; eine Wasserstoffpumpe, die in dem Pfad des Rückführungsrohres vorgesehen ist, um einen Druck des Anodenabgases anzuheben; und einen Wasserstoffpumpenregulator, der einen Betriebszustand der Wasserstoffpumpe ändert.
Bei diesem Aufbau steuert das Steuerzustandsänderungsmodul den Wasserstoffpumpenregulator, um den Betriebszustand der Wasserstoffpumpe gemäß dem gemessenen Atmosphärendruck zu ändern, um so die Durchsatzrate der Wasserstoffzufuhr als die Steuervariable zu ändern.
Die Rückführungsmenge des Wasserstoffs, der in dem Anodenabgas verbleibt, wird gemäß dem Atmosphärendruck gesteuert. Dies gleicht die sich ändernde Wasserstoffzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel bei einer Änderung des Atmosphärendrucks aus.
Das Brennstoffzellensystem mit diesem Aufbau kann des Weiteren Folgendes aufweisen: ein Unreinheitskonzentrationsschätzmodul, das eine Konzentration einer Unreinheit schätzt, die in der Wasserstoffzufuhr enthalten ist, und zwar auf der Grundlage des gemessenen Atmosphärendrucks; und ein Wasserstoffpumpenbetriebsänderungsmodul, das den Wasserstoffpumpenregulator steuert, um den Betriebszustand der Wasserstoffpumpe gemäß der geschätzten Konzentration der Unreinheit zu ändern.
Die Durchsatzrate der Wasserstoffzufuhr wird gemäß der geschätzten Konzentration der Unreinheit wie zum Beispiel Stickstoff oder Kohledioxid geändert, die in der Wasserstoffzufuhr enthalten sind. Als Reaktion auf eine Erhöhung der Konzentration der Unreinheit wird die Rückführungsmenge der Wasserstoffzufuhr vermehrt, um einen Mangel an Wasserstoff auszugleichen. Eine derartige Steuerung ist insbesondere zu jener Zeit wirksam, bei der eine größere Wahrscheinlichkeit besteht, dass die Wasserstoffzufuhr ein hohes Niveau der Unreinheit aufweist, wie zum Beispiel während einer Startzeit des Brennstoffzellensystems.
Die Konzentration der Unreinheit, die in der Wasserstoffzufuhr enthalten ist, kann auf der Grundlage einer verstrichenen Zeit nach einem Stopp des Brennstoffzellensystems und des gemessenen Atmosphärendruckes zur Zeit einer Aktivierung des Brennstoffzellensystems geschätzt werden. Die Konzentration der Unreinheit, die in der Wasserstoffzufuhr enthalten ist, kann auf der Grundlage des gemessenen Atmosphärendruckes und der verstrichenen Zeit nach einem Stopp des Brennstoffzellensystems mit hoher Genauigkeit geschätzt werden. Zum Beispiel kann eine höhere Konzentration der Unreinheit bei einer längeren verstrichenen Zeit nach dem Stopp des Brennstoffzellensystems und bei einem höheren Niveau des gemessenen Atmosphärendrucks zur Zeit der Aktivierung des Brennstoffzellensystems angenommen werden.
Die diversen Anordnungen der Erfindung, die vorstehend beschrieben sind, können in angemessener Weise kombiniert oder teilweise gemäß den Anforderungen weggelassen werden. Die Technik der Erfindung ist nicht auf das Brennstoffzellensystem oder auf das Verfahren zum Steuern des Betriebes des Brennstoffzellensystems beschränkt, die vorstehend beschrieben sind, sondern sie ist außerdem auf einen sich bewegenden Körper anwendbar, der mit einem derartigen Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, und auf ein Steuerverfahren des bewegbaren Körpers, der mit einem derartigen Brennstoffzellensystem ausgestattet ist. Beliebige dieser Anwendungen können beliebige von den vorstehend beschriebenen Anordnungen übernehmen.
KURBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt schematisch die Konfiguration eines Brennstoffzellensystems bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 zeigt eine Regulierung einer Wasserstoffpumpe durch eine Steuereinheit, die bei dem Brennstoffzellensystem enthalten ist;
3 zeigt eine Diagnose eines anormalen Zustandes durch die Steuereinheit;
4 zeigt das Prinzip des Betriebes eines Druckregulators, der bei dem Brennstoffzellensystem verwendet wird;
5 zeigt ein Flussdiagramm einer Korrekturroutine auf der Grundlage des Atmosphärendrucks, die durch die Steuereinheit ausgeführt wird;
6 zeigt eine Korrektur von Schwellwerten für eine Anomalitätsdiagnose;
7 zeigt eine Korrektur der Drehzahl der Wasserstoffpumpe;
8 zeigt eine grafische Darstellung einer Druckänderung an einer Anodenseite in Abhängigkeit von der verstrichenen Zeit nach einem Stopp des Brennstoffzellensystems;
9 zeigt eine grafische Darstellung einer Änderung einer Wasserstoffgaszusammensetzung in Abhängigkeit von dem Betriebsdruck; und
10 zeigt ein Kennfeld, das zum Schätzen der Konzentration von Stickstoff gemäß der Änderung des Atmosphärendrucks und der verstrichenen Zeit nach dem Stopp des Brennstoffzellensystems verwendet wird.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel in der folgenden Reihenfolge beschrieben:

A. allgemeine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems
B. Steuerung des Brennstoffzellensystems
C. Prinzip des Betriebs eines Druckregulators
D. Korrekturprozess auf der Grundlage des Atmosphärendrucks
E. Verfahren zum Schätzen einer Stickstoffkonzentration

A. Allgemeine Konfiguration des Brennstoffzellensystems
Die 1 zeigt schematisch die Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 100 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 des Ausführungsbeispiels ist als eine Leistungsquelle an einem elektrisch betriebenen Fahrzeug mit einem Motor angebracht. Wenn der Fahrer einen Zündschlüssel 14 einschaltet und eine Beschleunigungsvorrichtung niederdrückt, dann startet das Brennstoffzellensystem 100 die Erzeugung von Leistung gemäß dem Niederdrückungsbetrag der Beschleunigungsvorrichtung durch den Fahrer, der durch einen Beschleunigungsvorrichtungsöffnungssensor 11 gemessen wird, und sie ermöglicht die Fahrt des elektrischen Fahrzeuges durch die erzeugte elektrische Leistung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist an dem Motorfahrzeug an diesem Ausführungsbeispiel angebracht, aber es kann an vielfältigen anderen beweglichen Körpern einschließlich Luftfahrzeugen und Schienenfahrzeugen angebracht sein, oder es kann als eine ortsfeste Einrichtung in Gebäuden oder anderen Bauwerken angebracht sein.
Das Brennstoffzellensystem 100 hat einen Stapel von Brennstoffzellen oder einen Brennstoffzellenstapel 10, ein Wasserstoffzuführungssystem 30, das Wasserstoff als ein Brennstoffgas zu dem Brennstoffzellenstapel 10 zuführt, ein Sauerstoffzuführungssystem 40, das Sauerstoff in der Form von Luft zuführt, und eine Steuereinheit 60, die die verschiedenen Bestandteile des Brennstoffzellensystems 100 steuert. Der Brennstoffzellenstapel 10 ist als eine Aufschichtung von mehreren Brennstoffzellen (Einheitszellen) aufgebaut, die elektrische Leistung durch die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen. Jede Einheitszelle hat eine Wasserstoffelektrode (Anode) und eine Sauerstoffelektrode (Katode), die quer zu einer Elektrolytmembran angeordnet sind. Die Brennstoffzelle von diesem Ausführungsbeispiel ist eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle mit einem festen Polymerfilm wie zum Beispiel ein Nafion-Film (registrierte Marke), der auf die Elektrolytmembran aufgebracht ist.
Das Sauerstoffzuführungssystem 40 führt die verdichtete Luft als ein sauerstoffhaltiges Gas zu den Katoden des Brennstoffzellenstapels 10 zu. Die Einlassluft wird durch einen Luftverdichter 41 verdichtet, sie wird durch einen Befeuchter 42 befeuchtet, und sie strömt durch einen Luftkanal 35 zu den Katoden des Brennstoffzellenstapels 10. Das Abgas von den Katoden wird durch einen Abgaskanal 36, einen Druckregulator 27, den Befeuchter 42 und eine Dilutionseinheit 44 zu der Außenseite ausgelassen.
Das Wasserstoffzuführungssystem 30 führt das Wasserstoffgas von dem Wasserstoffbehälter 20 durch einen Wasserstoffzuführungskanal 32 zu den Anoden des Brennstoffzellenstapels 10 zu. Das Wasserstoffgas, das unter Druck zu dem Wasserstoffbehälter 20 gespeichert ist, wird durch einen Druckregulator 23 entspannt, und es strömt durch ein Schließventil 24 zu den Anoden des Brennstoffzellenstapels 20. Ein Drucksensor 12 ist in dem Pfad des Wasserstoffzuführungskanals 32 zwischen dem Druckregulator 23 und dem Brennstoffzellenstapel 10 vorgesehen, um den Druck des Wasserstoffgases zu messen, das dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird. Das Abgas von den Anoden (Anodenabgas) wird durch Schließventil 25 ausgelassen, und es strömt zu einem Rückführungsrohr 33 aus.
Das Rückführungsrohr 33 teilt sich in zwei Zweige: einer, der mit einem Abgaskanal 34 verbunden ist, um das Anodenabgas zur Außenseite auszulassen, und der andere, der mit dem Wasserstoffzuführungskanal 32 über ein Rückschlagventil 28 verbunden ist. Eine Wasserstoffpumpe 45 befindet sich in dem Rückführungsrohr 33, um den Druck des Anodenabgases zu erhöhen. Das Anodenabgas hat den abgesenkten Druck auf Grund eines Verbrauches von Wasserstoff bei dem Prozess der Leistungserzeugung in dem Brennstoffzellenstapel 10. Das Anodenabgas wird auf ein erforderliches Druckniveau durch die Wasserstoffpumpe 45 mit Druck beaufschlagt, damit es in dem Wasserstoffzuführungskanal 32 über das Rückschlagventil 28 zurückgeführt wird.
An der geschlossenen Position eines Auslassventils 26, das sich in dem Abgaskanal 34 befindet, wird das Anodenabgas zu dem Brennstoffzellenstapel über den Wasserstoffzuführungskanal 32 zurückgeführt. Das Anodenabgas hat restlichen Wasserstoff, der bei dem Prozess zur Leistungserzeugung nichtverbraucht wurde. Die Rückführung des Anodenabgases verbessert den Wirkungsgrad hinsichtlich des Wasserstoffverbrauchs.
Wasserstoff, der in dem rückgeführten Anodenabgas verbleibt, wird zur Erzeugung von Leistung verbraucht, während die Unreinheiten des Anodenabgases außer dem restlichen Wasserstoff wie zum Beispiel Stickstoff, der von den Katoden zur Seite der Anode durch die Elektrolytmembranen strömt, zwar nicht verbraucht aber akkumuliert werden. Die Konzentration der Unreinheiten erhöht sich nämlich allmählich. Bei dem Brennstoffzellensystem 100 des Ausführungsbeispiels wird das Auslassventil 26 bei einer voreingestellten Zeitgebung geöffnet, und das Anodenabgas mit der hohen Konzentration der Unreinheiten über den Abgaskanal 34 auszulassen. Das Anodenabgas kann nach wie vor Spuren von Wasserstoff aufweisen, und es wird daher durch die Luft in der Dilutionseinheit 44 dilutiert, bevor es zur Außenseite ausgelassen wird. Das Auslassen des Anodenabgases verringert die Zirkulationsmenge der Unreinheiten beträchtlich.
B. Steuerung des Brennstoffzellensystems
Die Betriebe des Brennstoffzellensystems 100 werden durch die Steuereinheit 60 gesteuert, die als ein Mikrocomputer einschließlich einer CPU, eines RAM, eines ROM und eines Zeitgebers aufgebaut ist. Die CPU steuert die Betriebe der verschiedenen Bestandteile des Brennstoffzellensystems 100 gemäß einem Steuerprogramm, das in dem ROM gespeichert ist. Ein Wasserstoffpumpensteuermodul 61, ein Anomalitätsdiagnosemodul 62, ein Korrekturmodul 63 auf der Grundlage des Atmosphärendrucks und ein Stickstoffkonzentrationsschätzmodul 64, die als Funktionsblöcke in der 1 dargestellt sind, werden durch eine Softwarekonfiguration durch das Steuerprogramm erhalten.
Das Wasserstoffpumpensteuermodul 61 reguliert die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 45. Das Kennfeld in der 2 zeigt eine Regulierung der Wasserstoffpumpe 45. Das Wasserstoffpumpensteuermodul 61 erhöht die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 45, um die Wasserstoffzufuhr bei einer erhöhten Leistungsanforderung zu dem Brennstoffzellensystem 100 zu erhöhen.
Das Anomalitätsdiagnosemodul 62 bestimmt, ob das Brennstoffzellensystem 100 in einem normalen Zustand oder in einem anormalen Zustand ist, und zwar auf der Grundlage des Druckes des Wasserstoffgases, der durch den Drucksensor 12 gemessen wird. Die 3 zeigt eine Diagnose des anormalen Zustandes. Das Anomalitätsdiagnosemodul 62 bestimmt, dass das Brennstoffzellensystem 100 in dem anormalen Zustand ist, wenn der durch den Drucksensor 12 gemessene Wasserstoffdruck auf oder über einem voreingestellten Schwellwert A erhöht ist oder wenn er auf oder unter einem voreingestellten Schwellwert B abgesenkt ist. Der Schwellwert A ist größer als der Schwellwert B. Der Wasserstoffdruck erhöht sich auf oder über den voreingestellten Schwellwert A, wenn zum Beispiel eine Fehlfunktion des Druckregulators 23 zu einer fehlerhaften Reduzierung des Wasserstoffgasdruckes auf ein voreingestelltes Niveau führt. Der Wasserstoffdruck verringert sich auf oder unter den voreingestellten Schwellwert B, wenn andererseits das Wasserstoffgas zum Beispiel auf Grund eines Risses in dem Rückführungsrohr 33 auftritt.
Das Korrekturmodul 63 auf der Grundlage des Atmosphärendrucks korrigiert die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 45 und die Schwellwerte für die Anomalitätsdiagnose als Steuervariablen des Brennstoffzellensystems 100 gemäß dem Atmosphärendruck, der durch einen Atmosphärendrucksensor 13 gemessen wird. Bei dem Druckregulator 23 des Ausführungsbeispiels wird die Atmosphärenluft in eine der Druckkammern zur Druckregulierung eingeführt. Das Druckniveau des entspannten Wasserstoffes, der aus dem Druckregulator 23 herausströmt, ändert sich bei einer Änderung des Atmosphärendruckes. Das Korrekturmodul 63 auf der Grundlage des Atmosphärendruckes korrigiert die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 45 und die Schwellwerte für eine Anomalitätsdiagnose als die Steuervariablen, um die möglichen Wirkungen auf Grund der Änderung des Wasserstoffdrucks zu reduzieren. Die konkrete Korrekturprozedur wird später beschrieben.
Das Stickstoffkonzentrationsschätzmodul 64 schätzt die Konzentration des Stickstoffes, das an der Seite der Anode zur Zeit der Systemaktivierung vorhanden ist, auf der Grundlage des Atmosphärendruckes, der durch den Atmosphärendrucksensor 13 gemessen wird. Die Wasserstoffpumpe 45 wird gemäß der geschätzten Stickstoffkonzentration zur Zeit der Systemaktivierung gesteuert.
C. Prinzip des Betriebs des Druckregulators
Die 4 zeigt das Prinzip des Betriebs des Druckregulators 23. Der Druckregulator 23 hat einen Strömungseinlass 71, um einen Zustrom des mit Druck beaufschlagten Wasserstoffgases aufzunehmen, eine Entspannungskammer 72, um den Druck des Wasserstoffgases abzusenken, eine Luftkammer 73, die mit der Atmosphärenluft zu füllen ist, und einen Strömungsauslass 74, damit das entspannte Wasserstoffgas herausströmen kann. Die Entspannungskammer 72 ist von der Luftkammer 73 durch eine Membran 75 getrennt. Der Strömungseinlass 71 ist mit dem Wasserstoffbehälter 20 verbunden, und der Strömungsauslass 74 ist mit dem Brennstoffzellenstapel 10 über das Schließventil 24 verbunden. Die Luftkammer 73 ist mit der Atmosphärenluft verbunden, und sie hat eine Feder 76, die im Inneren angeordnet ist, um die Membran 75 bei der in der 4 dargestellten Orientierung nach oben zu drücken.
Der mit Druck beaufschlagte Wasserstoff, der aus dem Strömungseinlass 71 eingeführt wird, strömt durch einen Raum zwischen einem Druckregulatorventil 75 und einem Sitz 78 in die Entspannungskammer 72. Der Wasserstoff mit höherem Druck, der in die Entspannungskammer 72 hineinströmt, drückt die Membran 75 bei der in der 4 dargestellten Orientierung nach unten, und er zieht das Druckregulatorventil 77, das mit der Membran 75 verbunden ist, bei der in der 4 dargestellten Orientierung nach unten. Der Raum zwischen dem Druckregulatorventil 77 und dem Sitz 78 wird somit verengt, um einen Druckverlust bezüglich der Durchsatzrate von Wasserstoff zu erhöhen, und um dadurch den Druck des Wasserstoffs abzusenken, der aus dem Strömungsauslass 74 herausströmt. Der Wasserstoff mit niedrigerem Druck, der in die Verdichtungskammer 72 hineinströmt, bewirkt andererseits das Hochdrücken der Membran 75 bei der in der 4 dargestellten Orientierung durch die Summe des Atmosphärendrucks und der Druckkraft der Feder 76. Der Raum zwischen dem Druckregulatorventil 77 und dem Sitz 78 wird somit auf geweitet, um den Druckverlust bezüglich der Durchsatzrate von Wasserstoff zu verringern und um dadurch den Druck des Wasserstoffs zu erhöhen, der aus dem Strömungsauslass 74 herausströmt. Der Druckregulator 23 ist so gestaltet, dass er den Druck des Wasserstoffgases im Wesentlichen ausgleicht, der aus dem Strömungsauslass 74 herausströmt, und zwar auf der Grundlage eines Gleichgewichtes zwischen dem Druck des einströmenden Wasserstoffes und der Summe des Atmosphärendruckes und der Druckkraft der Feder 76.
D. Korrekturprozess auf der Grundlage des Atmosphärendruckes
Der Druckregulator 23 von diesem Ausführungsbeispiel nutzt das Gleichgewicht zwischen dem Druck des Wasserstoffgases und der Summe des Atmosphärendrucks und der Druckkraft der Feder 76 zum Entspannen des Wasserstoffgases. Dieses Druckgleichgewicht wird durch die Änderung des Atmosphärendrucks beeinträchtigt. Wenn das elektrische Fahrzeug, das mit den Brennstoffzellensystem 100 ausgestattet ist, in einer großen Höhe fährt, dann verringert der abgesenkte Atmosphärendruck die Kraft zum Hochdrücken der Membran 75. Die auf die Membran 75 aufgebrachten Kräfte sind dementsprechend auf einem geringeren Druckniveau in der Entspannungskammer 72 im Gleichgewicht. Dies verengt den Raum zwischen dem Druckregulatorventil 77 und dem Sitz 78, und es führt zu einem verringerten Druckniveau des ausströmenden Wasserstoffes. Wenn das elektrische Fahrzeug, das mit dem Brennstoffzellensystem 100 ausgestattet ist, in einer niedrigen Höhe fährt, dann führt andererseits der erhöhte Atmosphärendruck zu einem erhöhten Druckniveau des ausströmenden Wasserstoffes: Bei dem Brennstoffzellensystem 100 einschließlich des Druckregulators 23, der den Druck der Wasserstoffzufuhr durch Unterstützung des Atmosphärendrucks reduziert, ändert sich die Durchsatzrate des Wasserstoffes, der zu dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird, bei einer Änderung des Atmosphärendruckes. Bei dem Aufbau von diesem Ausführungsbeispiel wird die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 45 gemäß der Änderung des Atmosphärendruckes reguliert, der durch den Atmosphärendrucksensor 13 gemessen wird. Eine derartige Regulierung der Drehzahl gleicht in wirksamer Weise die sich ändernde Wasserstoffzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel 10 durch den Druckregulator 23 aus.
Auch in dem normalen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 100 kann die Änderung des Druckes der Wasserstoffzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel 10 bei dem sich ändernden Atmosphärendruck eine fehlerhafte Bestimmung eines anormalen Zustandes auf der Grundlage der Festlegungen der Schwellwerte durch das Anomalitätsdiagnosemodul 62 verursachen. Die Steuerprozedur von diesem Ausführungsbeispiel ändert daher die Schwellwerte A und B gemäß der Änderung des Atmosphärendruckes, der durch den Atmosphärendrucksensor 13 gemessen wird, und zwar gemäß der nachfolgenden Beschreibung.
Die 5 zeigt ein Flussdiagramm einer Korrekturroutine auf der Grundlage des Atmosphärendruckes, die durch die Steuereinheit 60 ausgeführt wird. Die Steuereinheit 60 bezieht sich auf das Kennfeld gemäß der 2, und sie legt die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 54 gemäß einer Leistungsanforderung fest, die von dem Brennstoffzellensystem 100 abzugeben ist (Schritt S10), und sie steuert den Atmosphärendrucksensor 13, um den Atmosphärendruck zu messen (Schritt S20).
Dann bestimmt die Steuereinheit 60, ob das Brennstoffzellensystem 100 in einem Zustand unmittelbar nach einer Aktivierung ist (Schritt S30). Der Zustand unmittelbar nach einer Aktivierung wird dann erfasst, wenn ein Aktivierungsmodusmerker eingeschaltet ist, der in dem RAM der Steuereinheit 60 aufgezeichnet ist (wenn er gleich 1 ist). Der Aktivierungsmodusmerker wird als Reaktion auf eine Aktivierung des Brennstoffzellensystems 100 dadurch auf 1 festgelegt, dass der Zündschlüssel 14 eingeschaltet wird.
Wenn bestimmt wird, dass das Brennstoffzellensystem 100 nicht in dem Zustand unmittelbar nach der Aktivierung ist, und zwar als Reaktion auf eine negative Antwort bei dem Schritt S30, korrigiert die Steuereinheit 60 die Schwellwerte A und B für eine in der 3 gezeigten Anomalitätsdiagnose gemäß dem Atmosphärendruck, der bei dem Schritt S20 gemessen wird (Schritt S40). Die 6 zeigt eine Korrektur der Schwellwerte A und B für die Anomalitätsdiagnose. Wenn der gemessenen Atmosphärendruck größer als ein vorbestimmtes Niveau ist, wie zum Beispiel 1 atm, dann werden die Schwellwert A und B um einen identischen Betrag verschoben. Wenn der gemessene Atmosphärendruck niedriger als 1 atm ist, dann werden die Schwellwerte A und B andererseits um einen identischen betrag verschoben. Auch in dem Zustand eines sich ändernden Wasserstoffdruckes, der von dem Druckregulator 23 abgegeben wird, verhindert eine derartige Korrektur in wirksamer Weise die Änderung des Wasserstoffdrucks, die einer Fehlfunktion des Druckregulators und einem Riss des Rückführungsrohres 33 zugeschrieben wird. Die Steuerprozedur von diesem Ausführungsbeispiel verschiebt die Schwellwerte A und B um den identischen betrag nach oben oder nach unten. Diese Schwellwerte können jedoch durch unterschiedliche Beträge gemäß den Anforderungen nach oben der nach unten verschoben werden.
Die Steuereinheit 50 vergleicht den Druck der Wasserstoffzufuhr, der durch den Drucksensor 12 gemessen wird, mit dem korrigierten Schwellwerten A und B, und sie bestimmt, ob das Brennstoffzellensystem 100 in dem normalen Zustand oder in dem anormalen Zustand ist, wie dies in der 3 gezeigt ist (Schritt S50). Als Reaktion auf die Erfassung des anormalen Zustandes, und zwar als Reaktion auf eine positive Antwort bei dem Schritt S60 wird ein spezifischer Betrieb zum Vermeiden einer Anomalität durchgeführt (Schritt S70). Der spezifische Betrieb zum Vermeiden einer Anomalität stoppt zum Beispiel das Brennstoffzellensystem 100, oder er gibt einen Alarm an den Fahrer des Fahrzeuges ab.
Als Reaktion auf eine Erfassung eines normalen Zustandes, und zwar als Reaktion auf eine negative Antwort bei dem Schritt S60 korrigiert die Steuereinheit 60 andererseits die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 45, die bei dem Schritt S10 festgelegt wird, gemäß dem Atmosphärendruck, der bei dem Schritt S20 gemessen wird (Schritt S80). Die 7 zeigt eine Korrektur der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 45. Die Steuerprozedur von diesem Ausführungsbeispiel verringert die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 45 bei einer Erhöhung des Atmosphärendruckes über 1 atm, während sie die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 45 bei einer Verringerung des Atmosphärendruckes unter 1 atm erhöht. Eine derartige Korrektur gleicht die sich ändernde Durchsatzrate der Wasserstoffzufuhr von dem Druckregulator 23 aus.
Diese Korrekturen auf der Grundlage der Änderung des gemessenen Atmosphärendruckes werden während einer Aktivierung des Brennstoffzellensystems 100 kontinuierlich durchgeführt, um eine Streuung der Wirkungen zu reduzieren, die durch die Änderung des Atmosphärendruckes auftreten. Der Druckregulator 23, der bei dem Aufbau des Ausführungsbeispiels verwendet wird, liefert einen höheren Wasserstoffdruck bei einem höheren Atmosphärendruck. Der Druckregulator kann alternativ so gestaltet sein, dass der Atmosphärendruck in der entgegengesetzten Richtung auf das Druckregulatorventil 77 wirkt. Bei dem Druckregulator bei dieser alternativern Gestaltung zeigen die Änderungen des sekundären Wasserstoffdruckes in Abhängigkeit von dem Atmosphärendruck umgekehrten Tendenzen zu jenen in den 6 und 7. Bei der Anwendung von diesem Druckregulator bezieht sich die Steuerprozedur auf voreingestellte Kennfelder, die umgekehrte Änderungen des Schwellwertes für eine Anomalitätsdiagnose und der Drehzahl der Wasserstoffpumpe in Abhängigkeit des Atmosphärendruckes darstellen, und sie spezifiziert die verschiedenen Korrekturniveaus.
Der Korrekturprozess auf der Grundlage des Atmosphärendruckes von diesem Ausführungsbeispiel folgt einem unterschiedlichen Verarbeitungsfluss als Reaktion auf eine positive Antwort bei dem Schritt S30, nämlich bei dem Zustand unmittelbar nach der Aktivierung des Brennstoffzellensystems 100. Dies ist dadurch begründet, dass die hohe Stickstoffkonzentration und andere Unreinheiten, die in dem Wasserstoffgas enthalten sind, ein unzureichendes Niveau eines partiellen Wasserstoffdruckes zur Leistungserzeugung während der Zeit der Systemaktivierung verursachen können.
Wenn das Brennstoffzellensystem 100 in dem Zustand unmittelbar nach der Aktivierung ist, das heißt als Reaktion auf eine positive Antwort bei dem Schritt S30, dann schätzt die Steuereinheit 60 die Stickstoffkonzentration, die in dem Wasserstoffgas enthalten ist, auf der Grundlage des Atmosphärendruckes, der bei dem Schritt S20 gemessen wird (Schritt S90). Der detaillierte Prozess der Schätzung wird später beschrieben.
Die Steuereinheit 60 vergleicht sodann die geschätzte Stickstoffkonzentration mit einem voreingestellten Referenzwert C (Schritt S100). Wenn die geschätzte Stickstoffkonzentration nicht niedriger als der voreingestellte Referenzwert C ist, dann wird die Drehzahl Schwellwert Wasserstoffpumpe 45 auf ein höheres Niveau als das gewöhnliche Niveau korrigiert (Schritt S110). Wenn die geschätzte Stickstoffkonzentration niedriger als der voreingestellte Referenzwert C ist, dann korrigiert die Steuereinheit 60 nicht die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 45, aber sie schaltet den Aktivierungsmodusmerker aus (Schritt S120).
Es können beliebige diverse Techniken angewendet werden, um die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 45 bei dem Schritt S110 zu korrigieren. Zum Beispiel kann die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 45 auf ein voreingestelltes Niveau fixiert werden, oder sie kann mit einer konstanten Rate erhöht werden, wenn die geschätzte Stickstoffkonzentration nicht niedriger als der voreingestellte Referenzwert C ist. Die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 45 kann bei einer Erhöhung der geschätzten Stickstoffkonzentration erhöht werden. Die Steuerprozedur von diesem Ausführungsbeispiel korrigiert die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 45, wenn die geschätzte Stickstoffkonzentration nicht niedriger als der voreingestellte Referenzwert C ist. Eine mögliche Abwandlung kann die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 45 gemäß der geschätzten Stickstoffkonzentration ohne den Vergleich mit dem voreingestellten Referenzwert C ändern.
Wie dies vorstehend beschrieben ist, ermöglicht eine höhere Drehzahl der Wasserstoffpumpe 45 in dem Zustand der hohen Stickstoffkonzentration zur Zeit der Systemaktivierung einen größeren Wasserstofffluss, der zu den Anoden des Brennstoffzellenstapels 10 zu zirkulieren ist, und senkt den partiellen Wasserstoffdruck ab.
Die Folge des Korrekturprozesses wird entweder beim Abschluss des Schrittes S110 oder des Schrittes S120 in dem Flussdiagramm gemäß der 5 beendet. Eine mögliche Abwandlung kann den Verarbeitungsfluss zu dem Schritt S40 nach dem Schritt S110 oder nach dem Schritt S120 zurückführen. An Stelle oder zusätzlich zu der Korrektur der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 45 bei dem Schritt S110 kann das Auslassventil 26 so gesteuert werden, dass das Anodenabgas herausströmt. Das Auslassen des Stickstoffes erhöht in natürlicher Weise die Konzentration von Wasserstoff in dem Wasserstoffgas.
F. Schätzverfahren der Stickstoffkonzentration
Das Verfahren zum Schätzen der Stickstoffkonzentration bei dem Schritt S90 wird unter Bezugnahme auf die 8 bis 10 beschrieben. Die 8 zeigt eine grafische Darstellung einer Druckänderung an der Seite der Anode nach einem Stopp des Brennstoffzellensystems 100. Die Änderung des Gesamtdruckes an der Seite der Anode ist an der Ordinate aufgezeichnet, und die verstrichene Zeit nach dem Stopp des Brennstoffzellensystems 100 ist an der Abszisse aufgezeichnet. Der Gesamtdruck an der Seite der Anode verringert sich allmählich nach dem Stopp des Brennstoffzellensystems 100. Die allmähliche Verringerung des Gesamtdruckes wird dem Wasserstofftransfer von den Anoden zu den Katoden durch die Elektrolytmembranen in dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeschrieben. Der Gesamtdruck an der Seite der Anode beginnt sich nach dem Verstreichen von 30 Minuten nach dem Stopp des Brennstoffzellensystems 100 zu erhöhen. Diese Erhöhung des Gesamtdruckes wird der allmählichen Übertragung von Stickstoff, der in der Luft enthalten ist, von der Katode zu der Anode über die Elektrolytmembranen zugeschrieben. Diese Druckänderung wird in der Form eines Kennfeldes in der Steuereinheit 60 im Voraus gespeichert. Die Steuereinheit 60 bezieht sich auf das Kennfeld und schätzt den partiellen Stickstoffdruck (Stickstoffkonzentration) an der Seite der Anode gemäß der verstrichenen Zeit nach dem Stopp des Brennstoffzellensystems 100. Der Gesamtdruck und der partielle Stickstoffdruck an der Seite der Anode werden jedoch durch den Atmosphärendruck in dem tatsächlichen Zustand beeinträchtigt, und sie werden daher der nachfolgend beschriebenen Regulierung ausgesetzt.
Die 9 zeigt eine grafische Darstellung einer Änderung der Wasserstoffgaszusammensetzung in Abhängigkeit von dem Arbeitsruck beim Aktivieren des Brennstoffzellensystems 100 bei einem Zeitpunkt t1 in der 8. Der Arbeitsdruck an der Seite der Anode zur Zeit der Systemaktivierung wird im Allgemeinen auf ungefähr 250 kPa durch den Druckregulator 23 festgelegt. Wie dies vorstehend beschrieben ist, wird bei einer Verringerung des Atmosphärendruckes der von dem Druckregulator 23 abgegebene Wasserstoffdruck abgesenkt, um den Arbeitsdruck von 250 kPa zu reduzieren. Der sich verringernde Atmosphärendruck verringert außerdem die Stickstoffmenge, die von den Katoden zu den Anoden während des Stopps des Brennstoffzellensystems 100 übertragen wird. Die in dem Wasserstoffdruck enthaltene Stickstoffrate wird somit bei einer Verringerung des Arbeitsdruckes abgesenkt, wie dies in der 9 gezeigt ist.
Die Stickstoffkonzentration zur Zeit der Systemaktivierung ist gemäß der verstrichenen Zeit nach dem Stopp des Brennstoffzellensystems 100 und dem Atmosphärendruck bei der Systemaktivierung schätzbar. Die Prozedur von diesem Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Kennfeld gemäß 10, das in der Steuereinheit 60 gespeichert ist, und sie schätzt die Stickstoffkonzentration. Die 10 zeigt ein Kennfeld, der zum Schätzen der Stickstoffkonzentration gemäß der Änderung des Atmosphärendruckes und der verstrichenen Zeit nach dem Stopp des Brennstoffzellensystems 100 verwendet wird. Die Stickstoffkonzentration ist an der Ordinate aufgezeichnet, und die Änderung des Atmosphärendruckes ist an der Abszisse aufgezeichnet. Das Symbol „C" in dem Kennfeld gemäß der 10 ist äquivalent zu dem voreingestellten Referenzwert C, der mit der geschätzten Stickstoffkonzentration bei dem Schritt S100 in dem Flussdiagramm gemäß der 5 zu vergleichen ist. Wenn die geschätzte Stickstoffkonzentration nicht niedriger als der voreingestellte Referenzwert C ist, dann erhöht die Steuereinheit 60 die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 45. Bei dem dargestellten Beispiel gemäß der 10 wird die Stickstoffkonzentration auf ein ausreichend niedriges Niveau über der Änderung des Atmosphärendruckes gehalten, wenn die verstrichene Zeit t4 ist. Dies erfordert keine Korrektur der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 45. Wenn die verstrichene Zeit t5 ist, dann ist andererseits der partielle Stickstoffdruck an der Seite der Anode bei jenem Atmosphärendruck deutlich groß, der nicht niedriger als ein spezifisches Niveau D ist. Die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 45 wird somit auf ein höheres Niveau korrigiert. Die erhöhte Drehzahl der Wasserstoffpumpe 45 lässt das Wasserstoffgas, das eine hohe Stickstoffkonzentration enthält, von den Anoden ab und senkt den partiellen Stickstoffdruck sofort ab, um die Systemaktivierung zu erleichtern. Bei dem Atmosphärendruck, der niedriger als das spezifische Niveau D ist, führt der ausreichend geringe Arbeitsdruck an der Seite der Anode zu einer ausreichend niedrigen Stickstoffrate, die in dem Wasserstoffgas enthalten ist. Dies erfordert keine Korrektur der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 45.
Das Schätzverfahren der Stickstoffkonzentration gemäß der vorstehenden Beschreibung ermöglicht eine genaue Steuerung der Wasserstoffpumpe 45, und es gewährleistet somit eine wirksame Aktivierung des Brennstoffzellensystems 100.
Das Ausführungsbeispiel und seine abgewandelten Beispiele, die vorstehend beschrieben sind, sollen in allen Aspekten als darstellend und nicht als einschränkend betrachtet werden. Es sind viele andere Abwandlungen, Änderungen und Abweichungen möglich, ohne dass der Umfang der Hauptkennzeichen der vorliegenden Erfindung verlassen wird. Zum Beispiel können die Funktionen, die durch die Softwarekonfiguration erreicht werden, durch eine Hardwarekonfiguration aktualisiert werden.
Zusammenfassung
Bei einem Brennstoffzellensystem der Erfindung ist ein Druckregulator in dem Pfad eines Wasserstoffzuführungskanals vorgesehen, der einen Wasserstoffbehälter mit einem Brennstoffzellenstapel verbindet. Ein aus dem Brennstoffzellenstapel ausgelassenes Anodenabgas wird durch ein Rückführungsrohr in den Wasserstoffzuführungskanal zurückgeführt. Eine Wasserstoffpumpe ist in dem Pfad des Rückführungsrohres vorgesehen, um den Druck des Anodenabgases zu erhöhen. Eine Steuereinheit des Brennstoffzellensystems hat ein Wasserstoffpumpensteuermodul, ein Anomalitätsdiagnosemodul und ein Korrekturmodul auf der Grundlage des Atmosphärendruckes. Das Wasserstoffpumpensteuermodul reguliert die Drehzahl der Wasserstoffpumpe entsprechend einer Leistungsanforderung, die vom dem Brennstoffzellensystem abzugeben ist. Das Anomalitätsdiagnosemodul erfasst einen anormalen Zustand auf der Grundlage eines Ergebnisses einer Bestimmung dessen, ob der Druck der Wasserstoffzufuhr, der durch den Drucksensor gemessen wird, innerhalb eines bestimmten Bereich ist, der durch zwei voreingestellte Schwellwerte definiert ist. Das Korrekturmodul auf der Grundlage des Atmosphärendruckes korrigiert die Drehzahl der Wasserstoffpumpe und die Schwellwerte, die für die Anomalitätsdiagnose gemäß dem Atmosphärendruck verwendet werden, der durch einen Atmosphärendrucksensor gemessen wird. Auch in dem Zustand einer instabilen Abgabe des Druckregulators bei einer Änderung des Atmosphärendruckes gleicht eine derartige Korrektur die sich ändernde Durchsatzrate der Wasserstoffzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel aus und verhindert somit in wirksamer Weise eine fehlerhafte Bestimmung einer Anomalitätsdiagnose. Die Technik der Erfindung reduziert nämlich die mögliche Wirkung des sich ändernden Druckes der Wasserstoffzufuhr zu dem Brennstoffzellensystem bei einer Änderung des Atmosphärendruckes.

Claims

Brennstoffzellensystem mit: einem Brennstoffzellenstapel, der Wasserstoff- und Sauerstoffzufuhren aufnimmt und eine elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion der Wasserstoff- und Sauerstoffzufuhren erzeugt, einem Wasserstoffbehälter, der Wasserstoff unter einem Druck speichert, der vor der Zufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel nicht niedriger als der Atmosphärendruck ist; einem Wasserstoffzuführungskanal, der den Wasserstoffbehälter mit dem Brennstoffzellenstapel verbindet; einem Druckregulator, der in einem Pfad des Wasserstoffzuführungskanals vorgesehen ist und den Atmosphärendruck zum Reduzieren des Druckes der Wasserstoffzufuhr aus dem Wasserstoffbehälter zu dem Brennstoffzellenstapel nutzt; einer Atmosphärendruckmesseinheit, die den Atmosphärendruck misst, der auf den Druckregulator aufgebracht wird; und einem Steuerzustandsänderungsmodul, das eine voreingestellte Steuervariable ändert, die bei der Steuerung des Brennstoffzellensystems einbezogen ist, und zwar gemäß dem gemessenen Atmosphärendruck, um eine mögliche Wirkung einer sich ändernden Entspannungsfunktion des Druckregulators bei einer Änderung des Atmosphärendrucks zu reduzieren.
Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, wobei das Brennstoffzellensystem des Weiteren Folgendes aufweist: eine Wasserstoffdruckmesseinheit, die in dem Pfad des Wasserstoffzuführungskanals vorgesehen ist und den Druck der Wasserstoffzufuhr zwischen dem Druckregulator und dem Brennstoffzellenstapel misst; und ein Anomalitätsdiagnosemodul, das den gemessenen Druck der Wasserstoffzufuhr mit einem voreingestellten Schwellwert für eine Anomalitätserfassung als die Steuervariable vergleicht, um einen anormalen Zustand des Brennstoffzellensystems zu diagnostizieren, wobei das Steuerzustandsänderungsmodul den Schwellwert für eine Anomalitätserfassung bei einer Änderung des Atmosphärendrucks ändert.
Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, wobei die Steuervariable eine Durchsatzrate der Wasserstoffzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel ist, und das Steuerzustandsänderungsmodul die Durchsatzrate der Wasserstoffzufuhr gemäß dem gemessenen Atmosphärendruck ändert.
Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 3, wobei das Brennstoffzellensystem des Weiteren Folgendes aufweist: ein Rückführungsrohr, das einen Anodenabgasauslass des Brennstoffzellenstapels mit dem Wasserstoffzuführungskanal verbindet, um ein aus dem Brennstoffzellenstapel ausgelassenes Anodenabgas in den Wasserstoffzuführungskanal zurückzuführen; eine Wasserstoffpumpe, die in dem Pfad des Rückführungsrohres vorgesehen ist, um den Druck des Anodenabgases zu erhöhen; und einen Wasserstoffpumpenregulator, der einen Betriebszustand der Wasserstoffpumpe ändert, wobei das Steuerzustandsänderungsmodul den Wasserstoffpumpenregulator so steuert, dass der Betriebszustand der Wasserstoffpumpe gemäß dem gemessenen Atmosphärendruck geändert wird, um so die Durchsatzrate der Wasserstoffzufuhr als die Steuervariable zu ändern.
Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 4, wobei das Brennstoffzellensystem des Weiteren Folgendes aufweist: ein Unreinheitskonzentrationsschätzmodul, das eine Konzentration einer in der Wasserstoffzufuhr enthaltenen Unreinheit auf der Grundlage des gemessenen Atmosphärendruckes schätzt; und ein Wasserstoffpumpenbetriebsänderungsmodul, das den Wasserstoffpumpenregulator so steuert, dass der Betriebszustand der Wasserstoffpumpe gemäß der geschätzten Konzentration der Unreinheit geändert wird.
Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 5, wobei das Wasserstoffpumpenbetriebsänderungsmodul den Wasserstoffpumpenregulator so steuert, dass ein Betriebsniveau der Wasserstoffpumpe bei einer Erhöhung der geschätzten Konzentration der Unreinheit erhöht wird, um so einen Grad der Druckerhöhung des Anodenabgases zu verstärken.
Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 5 und 6, wobei das Unreinheitskonzentrationsschätzmodul die Konzentration der in der Wasserstoffzufuhr enthaltenen Unreinheit auf der Grundlage einer verstrichenen Zeit nach einem Stopp des Brennstoffzellensystems und des gemessenen Atmosphärendruckes zur Zeit einer Aktivierung des Brennstoffzellensystems schätzt.
Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 7, wobei das Unreinheitskonzentrationsschätzmodul eine höhere Konzentration der Unreinheit bei einer längeren verstrichenen Zeit nach dem Stopp des Brennstoffzellensystems und bei einem höheren Niveau des gemessenen Atmosphärendruckes zur Zeit der Aktivierung des Brennstoffzellensystems annimmt.
Verfahren zum Steuern eines Betriebes eines Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren zum Steuern des Betriebes folgendes aufweist: Speichern eines einem Brennstoffzellenstapel zuzuführenden Wasserstoffes bei einem Druck, der nicht niedriger als der Atmosphärendruck ist, in einem Wasserstoffbehälter, wobei der Brennstoffzellenstapel Wasserstoff- und Sauerstoffzufuhren aufnimmt und eine elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion der Wasserstoff- und Sauerstoffzufuhren erzeugt; Reduzieren des Druckes der Wasserstoffzufuhr aus dem Wasserstoffbehälter zu dem Brennstoffzellenstapel mittels eines Druckregulators, der in dem Pfad eines Wasserstoffzuführungskanals vorgesehen ist, welcher den Wasserstoffbehälter mit dem Brennstoffzellenstapel verbindet, und der den Atmosphärendruck zum Entspannen des Wasserstoffdruckes nutzt; Messen des auf den Druckregulator aufgebrachten Atmosphärendruckes; und Ändern einer voreingestellten Steuervariablen, die bei einer Steuerung des Brennstoffzellensystems einbezogen ist, und zwar gemäß dem gemessenen Atmosphärendruck, um eine mögliche Wirkung einer sich ändernden Entspannungsfunktion des Druckregulators bei einer Änderung des Atmosphärendruckes zu reduzieren.