DE112005000229B4

DE112005000229B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Ansteuerung desselben

Info

Publication number: DE112005000229B4
Application number: DE112005000229.2T
Authority: DE
Inventors: Naohiro Yoshida
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2005-01-18
Publication date: 2014-01-09
Anticipated expiration: 2025-01-19
Also published as: US8435697B2; WO2005071784A1; JP4656599B2; KR20060121940A; JP2005209480A; DE112005000229T5; CA2554210A1; CN1910780A; CA2554210C; DE112005000229B8; US20080038593A1; CN100413136C; KR100792723B1

Abstract

Brennstoffzellensystem aufweisend:
eine Brennstoffzelle (10), die ausgestaltet ist, um eine Leistung durch Zirkulieren eines Brenngases zu erzeugen;
eine Brenngasversorgungsquelle (101) die ausgestaltet ist, um das Brenngas der Brennstoffzelle (10) zuzuführen;
eine Zirkulationsleitung, die ausgestaltet ist, um das Brenngas, das der Brennstoffzelle (10) zugeführt wird, zu zirkulieren;
eine Brenngas-Fördereinrichtung (103), die in der Zirkulationsleitung bereitgestellt ist und ausgestaltet ist, um das Brenngas zu zirkulieren, indem ein Brenngasmengenstrom gesteuert wird;
eine Druckregulierungseinrichtung (RG), die zwischen der Brenngasversorgungsquelle (101) und der Zirkulationsleitung bereitgestellt ist und ausgestaltet ist, um einen Druck des Brenngases in der Zirkulationsleitung auf einen vorbestimmten Druck zu regulieren, und
eine Steuerungseinrichtung (20), die ausgestaltet ist, um den Brenngasmengenstrom der Brenngas-Fördereinrichtung (103) zu steuern und die Druckregulierungseinrichtung (RG) zu regulieren, wobei vermittels der Steuereinrichtung ein Mangel an Brenngas aufgrund der Verhinderung einer Änderung des Brenngasmengenstroms der Brenngas-Fördereinrichtung (103) durch Erhöhen eines Drucks des Brenngases in der Zirkulationsleitung kompensierbar ist, wenn eine Gasbedarfsmenge, die in der Brennstoffzelle (10) benötigt wird, erhöht wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere die Verbesserung eines Steuerungsverfahrens zum Reduzieren eines Leistungsverbrauchs, das zum Ansteuern eines Brennstoffzellensystems erforderlich ist, wenn eine hohe Last vorliegt.
Technischer Hintergrund
Bei Brennstoffzellensystemen, die durch Zirkulieren eines Wasserstoffgases, bei dem es sich um ein Brenngas handelt, in einer Brennstoffzelle Leistung erzeugen, wird ein Luftversorgungsdruck gemäß einer Leistungserzeugungsmenge der Brennstoffzelle, d. h. gemäß den Lastschwankungen, gesteuert, und die Menge des verbrauchten Wasserstoffgases wird erhöht oder verringert, indem die Drehzahl einer Wasserstoffpumpe geändert wird, die eine Zwangszirkulation des Wasserstoffgases bewirkt.
Die japanische Patenoffenlegungsschrift JP 2003-68334 A offenbart ein Verfahren, durch das die Druckluft in einem Kompressor bzw. Verdichter in ein Brenngasdruck-Regulierventil eingeführt wird, und die Druckdifferenz zwischen den Polen einer Brenngaszelle so reguliert wird, dass sie innerhalb des vorgeschriebenen Bereichs beibehalten wird. Das Brenngas wird mit einer Wasserstoffpumpe zugeführt, die derart gesteuert wird, dass deren Drehzahl entsprechend der erforderlichen Leistungsabgabe der Brennstoffzelle zunimmt. Ein Verfahren, durch das ein Brenngas in ähnlicher Weise mit einer Turbine zugeführt wird, ist in der japanischen Patentoffenlegungsschrift JP 60-10566 A offenbart.
Bei den vorstehend beschriebenen, hinreichend bekannten Verfahren wird jedoch die Regulierung zwischen dem Brenngasmengenstrom der Ansteuerungseinrichtung, wie beispielsweise einer Wasserstoffpumpe oder einer Turbine, und der Druckregulierungsmenge der Zirkulationsleitung nicht berücksichtigt, und die Möglichkeit nachteiliger Auswirkungen ist insbesondere hoch, wenn die Brennstoffversorgungsmenge nur mit der Ansteuerungseinrichtung variiert wird.
Somit besteht bei der Ansteuerungseinrichtung, wie z. B. einer Pumpe, die Tendenz, dass die Gesamtleistungserzeugungseffizienz des Systems bei einer hohen Last abnimmt, weil der Leistungsverbrauch der Leistungsquelle mit dem Anstieg der Brennstoffzellenlast ansteigt.
Wenn davon ausgegangen wird, dass die Brennstoffversorgung in einem Hochlastmodus einer Brennstoffzelle nur von der Zirkulationsmengensteuerung abhängt, die durch die Ansteuerungseinrichtung bereitgestellt wird, soll die Ansteuerungseinrichtung einer Drehung bei hoher Drehzahl standhalten können und eine große Brenngasmenge zirkulieren können. Aus diesem Grund muss die Ansteuerungseinrichtung in ihren Abmessungen vergrößert werden.
Gattungsgemäße Brennstoffzellensysteme sind ferner Gegenstand der Druckschriften DE 103 31 261 A1 , EP 0 800 708 B1 und DE 102 53 944 A1 . Hierbei lehren die Druckschriften DE 103 31 261 A1 und EP 0 800 708 B1 passiv arbeitende Systeme, bei denen die Gasmenge, die durch Ejektoren strömt, nicht verändert wird. Aus der DE 102 53 944 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, in welchem der Druck stromaufwärts des Ejektors auf einen konstanten Wert reguliert wird. Hierzu ist eine Brenngaspumpe vorgesehen, um das Problem zu lösen, dass die Zirkulation von Wasserstoffgas angehalten oder verzögert wird, wenn eine abrupte Änderung in der Antriebsgeschwindigkeit ausgegeben wird. Wenn eine derartige abrupte Änderung der Antriebsgeschwindigkeit auftritt, kann der Ejektor nicht angemessen darauf reagieren und eine ECU hält die Zirkulationsmenge durch Bezug auf ein Ausgangsdrehzahlkennfeld im geeigneten Bereich.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das eine hohe Leistungserzeugungseffizienz aufweist und ermöglicht, dass die Ansteuerungseinrichtung bzw. die Brenngas-Fördereinrichtung in ihren Abmessungen reduziert wird. Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1. Weitere Merkmale des Brennstoffzellensystems sind Gegenstand der Unteransprüche
Um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das mit einer Brennstoffzelle zum Erzeugen einer Leistung durch Zirkulieren eines Brenngases ausgestattet ist, wobei das Brennstoffzellensystem aufweist: eine Brennstoffgasversorgungsquelle zum Zuführen des Brenngases, eine Zirkulationsleitung zum Zirkulieren des Brenngases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, eine Brenngas-Fördereinrichtung, die in der Zirkulationsleitung bereitgestellt ist und dazu dient, das Brenngas zu zirkulieren, indem ein Brenngasmengenstrom gesteuert wird, und eine Druckreguliereinrichtung, die zwischen der Brenngasversorgungsquelle und der Zirkulationsleitung bereitgestellt ist und dazu dient, einen Druck des Brenngases in der Zirkulationsleitung auf den vorbestimmten Druck zu regulieren. Das Brennstoffzellensystem hat ferner eine Steuerungseinrichtung, die ausgestaltet ist, um den Brenngasmengenstrom der Brenngas-Fördereinrichtung zu steuern und die Druckregulierungseinrichtung, wobei vermittels der Steuereinrichtung ein Mangel an Brenngas aufgrund der Verhinderung einer Änderung des Brenngasmengenstroms der Brenngas-Fördereinrichtung durch Erhöhen eines Drucks des Brenngases in der Zirkulationsleitung kompensierbar ist, wenn eine Gasbedarfsmenge, die in der Brennstoffzelle benötigt wird, erhöht wird.
Die vorliegende Erfindung sieht zudem ein Steuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem vor, das mit einer Brennstoffzelle zum Erzeugen einer Leistung durch Zirkulieren eines Brenngases ausgestattet ist, wobei das Steuerungsverfahren die folgenden Schritt aufweist: Ermitteln einer Gasbedarfsmenge, die in der Brennstoffzelle benötigt wird, und Kompensieren eines aufgrund einer Verhinderung einer Änderung eines Brenngasmengenstroms einer Brenngas-Fördereinrichtung auftretenden Mangels an Brenngas, indem ein Druck des Brenngases in einer Zirkulationsleitung erhöht wird, wenn eine Gasbedarfsmenge erhöht wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Ansteuerungslast der Brenngas-Fördereinrichtung angemessen reguliert werden, indem der Druck der Brenngasversorgungsquelle verwendet wird, um den Druck der Zirkulationsleitung gemäß der Gasbedarfsmenge der Brennstoffzelle zu variieren und die Gasdichte in der Zirkulationsleitung zu regulieren. Insbesondere wenn die Gasbedarfsmenge ansteigt, kann die Gasdichte der Zirkulationsleitung durch Erhöhen des Drucks in der Zirkulationsleitung erhöht werden, und ein übermäßiger Anstieg der Ansteuerungslast der Brenngas-Fördereinrichtung kann verhindert werden, wodurch ermöglicht wird, die Größe der Brenngas-Fördereinrichtung zu reduzieren.
Der Begriff „Brenngas-Fördereinrichtung” betrifft eine Struktur zum Zwangszirkulieren des Brenngases und weist eine Pumpe, einen Verdichter, eine Turbine und dergleichen auf.
Der Begriff „Druckregulierungseinrichtung” betrifft eine Struktur, die in der Lage ist, den Druck in der Zirkulationsleitung zu ändern und beizubehalten, und weist ein Regulierventil (einen Regler) auf und zudem einen Reformer oder einen Wasserstofftank, der in der Lage ist, die Wasserstofferzeugungsmenge zu regulieren. Es wird eine Struktur bevorzugt, in der ein Leistungsverbrauch zumindest dann nicht ansteigt, wenn das Brennstoffgas unter hohem Druck zugeführt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zumindest innerhalb eines Bereich, wo die Gasbedarfsmenge höher ist als ein Standardwert, die Druckregulierungsmenge der Druckregulierungseinrichtung entsprechend einer Variation der Gasbedarfsmenge variiert. Weil die Brennstoffmenge durch Druckvariationen des Brenngases in einem Bereich mit einer hohen Gasbedarfsmenge reguliert wird, kann bei einer solchen Struktur die Ansteuerungsmenge bzw. der Brenngasmengenstrom mit der Brenngas-Fördereinrichtung verhältnismäßig reduziert werden, und der Leistungsverbrauch der Brenngas-Fördereinrichtung, der dazu neigt, unter einer hohen Last beträchtlich anzusteigen, kann reduziert werden.
Der „Standardwert” gemäß der vorliegenden Erfindung kann beliebig mit dem Ansteuerungskennfeld der Brenngas-Fördereinrichtung eingestellt werden, und wird auf einen Wert eingestellt, so daß die verbrauchte Leistung weiter ansteigt, wenn der Anstieg der Gasbedarfsmenge zumindest über den Standardwert hinaus durch die Ansteuerung der Brenngas-Fördereinrichtung kompensiert werden soll.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner in einem Bereich, in dem die Gasbedarfsmenge höher ist als der Standardwert, die Variationsrate des Brenngasmengenstroms der Brenngas-Fördereinrichtung vorzugsweise in Bezug auf einen Bereich reduziert, in dem die Gasbedarfsmenge niedriger ist als der Standardwert. Weil die Variationsrate des Brenngasmengenstroms der Brenngas-Fördereinrichtung in einem Bereich mit einer hohen Gasbedarfsmenge gesenkt wird, fällt bei einem solchen Merkmal der Brenngasmengenstrom, die durch die Brenngas-Fördereinrichtung bereitgestellt wird, ab, und der Leistungsverbrauch der Brenngas-Fördereinrichtung, der dazu neigt, erheblich anzusteigen, wenn die Last hoch ist, kann verringert werden, Die vorstehende Verringerung der Variationsrate des Brenngasmengenstroms beinhaltet hier einen Fall, wo eine positive Variationsrate allmählich abnimmt, wobei eine Sättigung als eine Asymptote erreicht wird, einen Fall, wo die Variationsrate den Wert von null erreicht (d. h. einen feststehenden Wert), und einen Fall, wo die Variationsrate abnimmt und negativ wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einem Bereich, in dem die Gasbedarfsmenge niedriger ist als der Standardwert, die Druckregulierungsmenge der Druckregulierungseinrichtung vorzugsweise kleiner oder gleich einem konstanten Wert beibehalten. In einem Bereich, wo die Gasbedarfsmenge niedrig ist, ist der Brenngasverbrauch gering, doch wenn der Druck des Brenngases in der Zirkulationsleitung in diesem Bereich ansteigt, nimmt das Austreten (Undichtigkeit) des Brenngases zu einer Luftelektrode des Brenngases zu, und die Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle nimmt ab. In einem Bereich mit einem niedrigen Leistungserzeugungswert, wo der Verbrauch des Brenngases gering ist, wird mit dem vorstehend erwähnten Merkmal der Brenngasdruck kleiner oder gleich einem feststehenden Wert beibehalten, wodurch die negative Auswirkung des Austretens von Brenngas verhindert wird.
Der hierin bezeichnete „konstante Wert” wird beispielsweise derart gewählt, daß das Austreten von Brenngas nicht eintritt, selbst wenn die Verbrauchsmenge des Brenngases gering ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner die Brenngas-Fördereinrichtung basierend auf der Gasbedarfsmenge und einem Messwert des Drucks innerhalb der Zirkulationsleitung gesteuert. Wenn die Gasbedarfsmange festgelegt und der aktuelle Druck innerhalb der Zirkulationsleitung gemessen werden kann, kann bei diesem Merkmal dann eine angemessene Steuerungsmenge der Brenngas-Fördereinrichtung bestimmt werden, um die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Gasdichte im Inneren der Zirkulationsleitung durch Erhöhen des Drucks innerhalb der Zirkulationsleitung erhöht werden, und es kann verhindert werden, dass die Ansteuerungslast der Brenngas-Fördereinrichtung auf einen übermäßig hohen Wert ansteigt, wenn die Gasbedarfsmenge ansteigt. Daher kann die Größe der Brenngas-Fördereinrichtung reduziert werden, und die Leistungserzeugungseffizienz des gesamten Brennstoffzellensystems kann erhöht werden.
Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein das Prinzip der vorliegenden Erfindung darstellendes Blockdiagramm;
2A stellt die Beziehung zwischen einer Brenngasverbrauchsmenge und einer Soll-Last dar, die das Steuerungsverfahren von Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung erläutert.
2B ist ein Steuerungskennfeld der Pumpendrehzahl im Vergleich zur Soll-Last.
2C ist ein Steuerungskennfeld eines Solldrucks des Regulierventils im Vergleich zur Soll-Last.
3 ist ein Blockdiagramm der Brennstoffzelle von Ausführungsform 1.
4 ist ein Flussdiagramm, das das Steuerungsverfahren des Brennstoffzellensystem von Ausführungsform 1 darstellt.
5 ist ein Kennfelddiagramm einer Gaszirkulationsmenge im Vergleich zu einer Menge der Leistung, die in der Brennstoffzelle erzeugt wird.
6 stellt die Beziehung zwischen einer Pumpendrehzahl und einem Einlassdruck einer Wasserstoffpumpe dar.
7 ist ein Kennfelddiagramm eines Wasserstoffpumpen-Einlassdrucks im Vergleich zu einer Zirkulationsmenge.
8 ist ein Diagramm zum Abschätzen eines Druckverlustes im Vergleich zu einem Wasserstoffpumpen-Einlassdruck.
9 ist ein Flussdiagramm, das das Steuerungsverfahren des Brennstoffzellensystem von Ausführungsform 2 darstellt.
10A stellt die Beziehung zwischen der Brenngasverbrauchsmenge und der Soll-Last dar, die das Steuerungsverfahren von Ausführungsform 3 erläutert.
10B ist ein Steuerungskennfeld einer Pumpendrehzahl im Vergleich zu einer Soll-Last.
10C ist ein Steuerungskennfeld eines Solldrucks eines Regulierventils im Vergleich zu einer Soll-Last.
11A stellt die Beziehung zwischen der Brenngasverbrauchsmenge und der Soll-Last dar, die das Steuerungsverfahren von Ausführungsform 4 erläutert.
11B ist ein Steuerungskennfeld einer Pumpendrehzahl im Vergleich zu einer Soll-Last.
12 stellt die Beziehung zwischen dem Wasserstoffpumpen-Einlassdruck, der Pumpendrehzahl und der verbrauchten Leistung dar.
Beste Art und Weise des Ausführens der Erfindung
Die bevorzugten Art und Weise des Ausführens der Erfindung wird nachstehend unter Bezugname auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
(Erläuterung des Erfindungsprinzips)
Das Betriebsprinzip der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben.
Wie in 1 gezeigt ist, ist erfindungsgemäß eine Zirkulationsleitung R zum Zuführen eines Brenngases L an eine Brennstoffzelle FC ausgebildet. Eine Ansteuerungseinrichtung bzw. Brenngas-Fördereinrichtung (Wasserstoffpumpe) PM zum Zwangszirkulieren des Brenngases L mit in der Zirkulationsleitung R vorgesehen. Der Druck p der Zirkulationsleitung R wird mit einer Druckregulierungseinrichtung (Regulierventil) RG reguliert. Das Ansteuerungskennfeld der Brenngas-Fördereinrichtung PM wird basierend auf der Leistung (Last) bestimmt, die durch die Brennstoffzelle FC erzeugt werden muss, und die Druckregulierungsmenge der Druckregulierungseinrichtung RG wird bestimmt, um das Defizit bzw. den Mangel des Brenngasmengenstroms basierend auf dem bestimmten Ansteuerungskennfeld der Brenngas-Fördereinrichtung PM zu kompensieren.
2A stellt die Beziehung einer verbrauchten Brenngasmenge und einer Soll-Last einer Brennstoffzelle dar. Weil die umgekehrte Reaktion der Wasserelektrolyse in einer Brennstoffzelle induziert wird, wird ein Wasserstoffgas, bei dem es sich um ein Brenngas handelt, einer Brennstoffelektrode zugeführt, bei der es sich um eine negative Elektrode (Kathode) handelt, wird ein sauerstoffhaltiges Gas (Luft) einer Luftelektrode zugeführt, bei der es sich um eine positive Elektrode (Anode) handelt, wobei die Reaktion, die durch eine Formel (1) dargestellt wird, auf der Brennstoffelektrode induziert wird, die Reaktion, die durch die Formel (2) dargestellt wird, auf der Luftelektrode induziert wird, wobei bewirkt wird, dass Elektronen zirkulieren und ein elektrischer Strom induziert wird. H₂ –> 2H⁺ + 2e^– (1) 2H⁺ + 2e^– + (1/2)O₂ –> H₂O (2)
In anderen Worten entspricht die erzeugte Elektronenmenge der zugeführten Wasserstoffgasmenge, und man rechnet damit, dass die in 2A gezeigte Beziehung erforderlich ist.
2B zeigt ein Beispiel des Ansteuerungskennfelds der Brenngas-Fördereinrichtung PM, und 2C zeigt ein Beispiel der Regulierungsmenge der Druckregulierungseinrichtung RG, die die Regulierung durchführt, um den Mangel der Ansteuerungsmenge bzw. des Brenngasmengenstroms der Brenngas-Fördereinrichtung PM zu kompensieren. Mit dem Brennstoffmengen-Steuerungsverfahren der herkömmlichen Brennstoffzellensysteme wird die Steuerung beispielsweise in einem Bereich unter einem Standardwert Pth durchgeführt, der in 2B und C gezeigt ist. In anderen Worten wird der Druck p der Zirkulationsleitung R bei einem konstanten Wert beibehalten (2C), und es wird hauptsächlich der Brenngasmengenstrom der Brenngas-Fördereinrichtung PM, beispielsweise die Drehzahl der Wasserstoffpumpe, als Reaktion auf Lastschwankungen in der Brennstoffzelle FC erhöht oder verringert.
Im Gegensatz dazu wird bei dem erfindungsgemäßen Ansteuerungsverfahren eine Gasbedarfsmenge, die in der Brennstoffzelle FC benötigt wird, abgeschätzt, und der Druck des Brenngases in der Zirkulationsleitung R, wo das der Brennstoffzelle FC zugeführte Brenngas zirkuliert wird, wird gemäß dem Anstieg der abgeschätzten Gasbedarfsmenge erhöht. Somit wird das Ansteuerungskennfeld der Brenngas-Fördereinrichtung PM anfangs abhängig von dem Wert der erzeugten Leistung bestimmt, in diesem Fall abhängig davon, ob die erzeugte Leistung größer ist als der Standardwert Pth.
12 zeigt die Beziehung zwischen dem Einlassdruck der Wasserstoffpumpe (d. h. einem Wert entsprechend dem Druck der Zirkulationsleitung), der Pumpendrehzahl (d. h. dem Brenngasmengenstrom der Brenngas-Fördereinrichtung) und der dadurch in dem Fall verbrauchten Leistung, wo die Zirkulationsmenge des Wasserstoffgases, bei dem es sich um das Brenngas handelt, konstant ist. Wie aus 12 zu ersehen ist, nimmt die Drehzahl der Wasserstoffpumpe, bei der es sich um die Brenngas-Fördereinrichtung handelt, ab, wenn der Druck in der Zirkulationsleitung ansteigt, und wenn die Drehzahl der Wasserstoffpumpe niedrig ist, neigt auch die dadurch verbrauchte Leistung dazu, abzunehmen.
Dementsprechend wird gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in 2B gezeigt ist, in einem Hochlastbereich der Brenngasmengenstrom der Brenngas-Fördereinrichtung PM auf einen konstanten Wert eingestellt (beispielsweise ist die Drehzahl der Wasserstoffpumpe konstant). Wenn in anderen Worten die Brenngas-Fördereinrichtung sich in einem hohen Ansteuerungszustand befindet (beispielsweise wenn die Drehzahl der Wasserstoffpumpe hoch ist), neigt der Leistungsverbrauch dazu, zuzunehmen. Daher wird verhindert, dass der Ansteuerungszustand in einem Bereich mit einer hohen erzeugten Leistung einen zu hohen Wert erreicht. In dem Fall wo hingegen der Brenngasmengenstrom der Brenngas-Fördereinrichtung unterdrückt wird, ist eine gewisse Kompensationsleistung erforderlich, um die reduzierte Zirkulationsmenge des Brenngases zu kompensieren, das zugeführt werden muss. Gemäß der vorliegenden Erfindung reguliert somit die Druckregulierungseinrichtung RG den Druck, um den Mangel der Ansteuerungsmenge bzw. des Brenngasmengenstroms zu kompensieren, die durch die Brenngas-Fördereinrichtung PM bereitgestellt wird. In anderen Worten wird die Regulierung, wie in 2C gezeigt ist, ausgeführt, so dass der durch die Druckregulierungseinrichtung RG bereitgestellte Druck entsprechend dem Anstieg der erzeugten Leistung ansteigt, um das Defizit des Brenngasmengenstroms zu kompensieren, die durch die Brenngas-Fördereinrichtung bereitgestellt wird, die mit einer konstanten Menge angesteuert wird.
Insbesondere in einem Bereich, wo die erzeugte Leistung höher ist als der Standardwert Pth (der Bereich auf der rechten Seite des Pth), wird die Variationsrate des Brenngasmengenstroms der Brenngas-Fördereinrichtung PM in Bezug darauf in einem Bereich verringert, wo die erzeugte Leistung geringer ist als der Standardwert Pth (der Bereich der linken Seite von Pth) (2B). Ferner wird in dem Bereich, wo die erzeugte Leistung höher ist als der Standardwert Pth (der Bereich auf der rechten Seite von Pth), die Druckregulierungsmenge der Druckregulierungseinrichtung RG gemäß der Veränderung der erzeugten Leistung geändert (2c). Mit dem vorstehend beschriebenen Steuerungsverfahren kann der Betriebszustand der Brenngas-Fördereinrichtung PM durch den Wert der erzeugten Leistung geändert werden. Daher kann der Brenngasmengenstrom oder die Ansteuerungskapazität der Brenngas-Fördereinrichtung PM an die Lastschwankungen der Brennstoffzelle FC angepaßt werden, ohne dabei kritisch erhöht zu werden, kann der Lastverbrauch der Brenngas-Fördereinrichtung Pm verringert werden und die Größe der Brenngas-Fördereinrichtung PM kann reduziert werden.
Hier hängt der Standardwert Pth der erzeugten Leistung, die den Steuerungszustand schaltet, in hohem Maße von dem Ansteuerungskennfeld der Brenngas-Fördereinrichtung ab, doch wenn der Anstieg der erzeugten Leistung über den Standardwert hinaus durch die Ansteuerung der Brenngas-Fördereinrichtung PM kompensiert werden soll, kann der Standardwert auf einen Wert eingestellt werden, bei dem die verbrauchte Leistung rasch ansteigt.
In einem Bereich, wo die erzeugten Leistung geringer ist als der Standardwert Pth (der Bereich links von Pth), wie in 2C gezeigt ist wird die Druckregulierungsmenge der Druckregulierungseinrichtung RG derart gesteuert, dass sie kleiner oder gleich einem konstante Wert PO ist. Eine solche Steuerung kann das Austreten (Auslaufen) des Brenngases zur Luftelektrode des Brenngases verhindern. Der Wert PO ist derart, daß das Austreten (Auslaufen) des Brenngases nicht in einem Bereich eintritt, wo die verbrauchte Menge des Brenngases gering ist.
Es ist jedoch nicht erforderlich, die Druckregulierungsmenge basierend auf dem Standardwert zu regulieren, und eine Konfiguration, bei der die Druckregulierung in einfacher Weise gemäß der Lastmenge der Brennstoffzelle durchgeführt wird, ist ausreichend. Eine Art und Weise des Ausführens der Erfindung ohne Verwendung des Standardwerts wird nachstehend als Ausführungsform 1 erläutert, und eine Art und Weise des Verwendens des Standardwerts wird in Ausführungsform 2 und den sich daran anschließenden Ausführungsformen erläutert.
Ausführungsform 1
Spezifische Ausführungsformen der vorliegende Erfindung basierend auf dem vorstehend beschriebenen Prinzip werden nachstehend erläutert. Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen die Anwendung des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens auf Brennstoffzellensysteme, die auf mobilen Aufbauten, wie z. B. Elektroautos, installiert sind. 3 zeigt das vorliegende Brennstoffzellensystem in seiner Gesamtheit. Bei der nachstehend beschriebenen Ausführungsform handelt es sich lediglich um eine Art und Weise des Implementierens der vorliegenden Erfindung, und die vorliegende Erfindung kann verwendet werden, ohne darauf beschränkt zu werden.
Wie in 3 gezeigt ist, weist das Brennstoffzellensystem ein System zum Zuführen eines Wasserstoffgases, bei dem es sich um ein Brenngas handelt, an einen Brennstoffzellenstapel 10, ein System zum Zuführen von Luft, bei der es sich um eine Sauerstoffquelle handelt, und ein System zum Abkühlen des Brennstoffzellenstapels 10 auf.
Der Brennstoffzellenstapel 10 weist eine Stapelstruktur mit einer darin gestapelten Mehrzahl von Separatoren mit Kanälen für Wasserstoffgas, Luft und eine Kühlflüssigkeit und Zellen auf, die jeweils eine MEA (Membranelektrodenanordnung) aufweisen, die zwischen einem Paar von Separatoren sandwichartig angeordnet ist. Die MEA weist eine Struktur auf, bei der eine Polymerelektrolytmembran zwischen zwei Elektroden sandwichartig angeordnet ist: eine Brennstoffelektrode und eine Luftelektrode. Bei der Brennstoffelektrode ist eine Katalysatorlage für die Brennstoffelektrode auf einer porösen Trägerlage bereitgestellt. Bei der Luftelektrode ist eine Katalysatorlage für die Luftelektrode auf einer porösen Trägerlage bereitgestellt.
Das System zum Zuführen des Wasserstoffgases zum Brennstoffzellenstapel 10 weist (in der Reihenfolge der Beschreibung ab der Wasserstoffgasversorgungsquelle) einen Wasserstofftank 101, ein Absperrventil SV1, ein Regulierventil RG, ein Absperrventil SV2, ein Absperrventil SV2 über den Brennstoffzellenstapel 10, einen Gas-Flüssigkeits-Separator 102, ein Absperrventil SV4, eine Wasserstoffpumpe 103, ein Absperrventil SV5, und ein Rückschlagventil RV auf. Das Regulierventil (Regler) RG ist gleich der Druckregulierungseinrichtung der vorliegenden Erfindung, und die Wasserstoffpumpe 103 ist gleich der Brenngas-Fördereinrichtung der vorliegenden Erfindung. Die Zirkulationsleitung gemäß der vorliegenden Erfindung besteht aus einer Leitung, die das Absperrventil SV2, den Brennstoffzellenstapel 10, das Absperrventil SV3, den Gas-Flüssigkeits-Separator 102, die Wasserstoffpumpe 103 und das Rückschlagventil RV aufweist. Die Druckregulierungsmengensteuerung des Regulierventils RG wird durch Ansteuern eines Verdichters 202 mit einer Steuereinheit 20 und Betätigen des Absperrventils SV6 und SV7 durchgeführt. Somit kann durch Öffnen des Absperrventils SV6, der dem Regulierventil RG zugeführte Luftdruck erhöht werden und der der Zirkulationsleitung der Brennstoffzelle zugeführte Druck kann erhöht werden. Ferner kann durch Öffnen des Absperrventils SV7 der Luftdruck, der dem Regulierventil RG zugeführt wird, gesenkt werden und der der Zirkulationsleitung der Brennstoffzelle zugeführt Druck kann gesenkt werden. Somit ermöglicht ein Steuern der Absperrventile SV6 und SV7 eine willkürliche Steuerung des Drucks, der der Zirkulationsleitung zugeführt wird. Die Steuerung des Brenngasmengenstroms der Wasserstoffpumpe 103 wird durch Steuern des Brenngasmengenstroms der Wasserstoffpumpe 103 mit der Steuerungseinheit 20 durchgeführt
Der Wasserstofftank 101 ist mit einem unter hohem Druck stehenden Wasserstoffgas befüllt. Die Wasserstoffversorgungsquelle der vorliegenden Erfindung kann eine beliebige Konfiguration aufweisen, vorausgesetzt, dass sie ein Wasserstoffgas zuführen kann, bei dem es sich um ein Brenngas handelt, so dass der Druck stromab des Regulierventils RG bei einem vorbestimmten Wert beibehalten werden kann. Daher sind verschiedene Modifizierungen der Wasserstoffversorgungsquelle möglich. Daher kann ein Wasserstofftank unter Verwendung einer Wasserstoffabsorptionslegierung, ein unter hohem Druck stehender Wasserstofftank, der keine Wasserstoffabsorptionsfunktion aufweist, ein Wasserstoffversorgungsmechanismus unter Verwendung eines reformierten Gases und eine Struktur, die einen Wasserstoff von einem Flüssigkeitswasserstofftank zuführt, anstelle des unter hohem Druck stehenden Wasserstofftanks, verwendet werden.
Was das Wasserstoffgas von dem Wasserstofftank 101 angeht, wird zunächst mit dem Absperrventil SV1 gewählt, ob das Wasserstoffgas zugeführt werden soll oder nicht, und das Wasserstoffgas wird stromab unter einem Druck abgeführt, der durch das Regulierventil RG bestimmt wird. Die Regulierungsmenge des Regulierventils RG, d. h. die Druckregulierung, wird durch den Betriebszustand des Verdichters 202 auf der Luftelektrodenseite bestimmt. Der Gasdruck stromab des Regulierventils RG wird gemäß dem Luftdruck eingestellt, mit dem die Steuerungseinheit des Regulierventils RG beaufschlagt wird. Die Absperrventile SV2 und SV3 werden im Leistungserzeugungsstopp- oder intermittierenden Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems geschlossen und öffnen sich im Normalbetriebsmodus. Der Gas-Flüssigkeits-Separator 102 entfernt Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen, die durch die elektrochemischen Reaktionen erzeugt werden, die in dem Brennstoffzellenstapel 10 während eines Normalbetriebs ablaufen, aus dem Wasserstoff-Aus-Gas und führt sie über das Absperrventil SV4 nach draußen ab. Die Wasserstoffpumpe 103 sorgt für eine Zwangszirkulation des Wasserstoffgases in der Wasserstoffgas-Zirkulationsleitung basierend auf der Steuerung der Steuerungseinheit 20. Das Absperrventil SV5 ist während des Reinigungsvorgangs offen, doch im üblichen Betriebsmodus oder während einer Abschätzung des Gasaustritts erfindungsgemäß geschlossen. Das Rückschlagventil RV verhindert die Rückströmung des Wasserstoffgases. Das Wasserstoff-Aus-Gas, das von dem Absperrventil SV5 gespült wird, wird mit einem Abgassystem behandelt, das eine Verdünnungsvorrichtung aufweist (in der Fig. nicht gezeigt).
Eine Luftreinigungseinrichtung 201, der Verdichter 202 und eine Befeuchtungseinrichtung 203 sind als ein System zum Zuführen von Luft an die Brennstoffzellenstapel 10 bereitgestellt. Die Luftreinigungseinrichtung 201 reinigt die Außenluft und führt sie in das Brennstoffzellensystem ein. Der Verdichter 202 verdichtet die eingeführte Luft entsprechend der Steuerung der Steuerungseinheit 20 und ändert die Menge und den Druck der zugeführten Luft. Die Befeuchtungseinrichtung 203 führt eine Feuchtigkeitsveränderung zwischen der verdichteten Luft und dem Luft-Aus-Gas aus, um die verdichtete Luft mit angemessener Feuchtigkeit zu versehen. Ein Teil der mit dem Verdichter 202 verdichteten Luft wird einem Brennstoffzellensystem zugeführt, und der Luftdruck in dem Raum zwischen den Absperrventilen SV6 und SV7 wird auf das Regulierungsventil RG ausgeübt. Das Luft-Aus-Gas, das von dem Brennstoffzellenstapel 10 abgeführt wird, wird an ein Abgassystem abgeführt, das eine Verdünnungsvorrichtung aufweist (die in der Fig. nicht gezeigt ist).
Das Abkühlsystem des Brennstoffzellenstapels 10 weist einen Radiator 11, ein Gebläse 12 und eine Kühlpumpe 13 auf. Bei diesem System wird ein Flüssigkeitskühlmittel innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 zirkuliert.
Die Steuerungseinheit 20 ist ein hinreichend bekanntes Computersystem, wie z. B. eine ECU (elektronische Steuerungseinheit). Wenn eine CPU (zentrale Verarbeitungseinheit), die in der Fig. nicht gezeigt ist, nacheinander ein Softwareprogramm zum Implementieren der vorliegende Erfindung ausführt, das in einem ROM gespeichert ist (in der Fig. nicht gezeigt), kann dieses Computersystem als eine Steuerungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung betrieben werden. Somit bestimmt die Steuerungseinheit 20 gemäß dem nachstehend beschriebenen Verfahren (4) die erforderliche erzeugte Leistung des Brennstoffzellenstapels 10, bestimmt die Druckregulierungsmenge des Regulierungsventil RG basierend auf der benötigten erzeugten Leistung und steuert den Brenngasmengenstrom der Wasserstoffpumpe 103, um das Defizit der Druckregulierungsmenge zu kompensieren.
Der Betrieb in Ausführungsform 1 wird nachstehend unter Bezugnahme auf ein in 4 gezeigtes Flussdiagramm erläutert. Dieses Flussdiagramm stellt die Implementierung des Verfahrens zum Ansteuern des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Somit wird bei diesem Flussdiagramm eine Gasbedarfsmenge, die für den Brennstoffzellenstapel 10 benötigt wird, abgeschätzt, und der Druck des Brenngases in der Zirkulationsleitung, wo das dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführte Brenngas zirkuliert, wird gemäß dem Anstieg der abgeschätzten Gasbedarfsmenge erhöht. Dieses Flussdiagramm wird wiederholt in angemessenen Intervallen während eines Normalbetriebs ausgeführt.
Wenn das Brennstoffzellensystem normal arbeitet, öffnet die Steuerungseinheit 20 das Absperrventil SV1 und führt das Wasserstoffgas entsprechend der vorbestimmten Strömungsrate des Wasserstoffgases vom Wasserstofftank 101 zu. Das Regulierventil RG kann den Druck in der stromabwärtigen Zirkulationsleitung durch den Luftdruck, der auf die Membran ausgeübt wird, regulieren. Diese Regulierungsmenge wird durch den Luftdruck bestimmt, der durch die Absperrventile SV6 und SV7 gesteuert wird.
Die Wasserstoffgasmenge, die dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird, wird durch den Druck der Zirkulationsleitung eingestellt, der durch die Regulierung des Regulierventils RG und die Zirkulationsmenge eingestellt wird, die durch die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 103 bestimmt wird. Die jeweiligen Werte werden durch das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren bestimmt, das nachstehend beschrieben wird.
Zunächst berechnet die Steuerungseinheit 20 die erzeugte Leistung Pr, die für den Brennstoffzellenstapel 10 basierend auf der Lastmenge erforderlich ist, die für das Brennstoffzellensystem benötigt wird (S1). Um die Last für die Brennstoffzelle zu ermitteln, bezieht sich die Steuerungseinheit 20 auf eine Fahrpedalposition, eine Schaltposition und eine Bremsposition und berechnet das Drehmoment, das durch einen Leistungsmotor abgegeben werden muss (in der Fig. nicht gezeigt). Dann addiert die Steuerungseinheit 20 den Leistungsverlust in einem Wechselrichter oder Umrichter (in den Figuren nicht gezeigt) und die durch Hilfsaggregate verbrauchte Leistung zu der Lastmenge des Motordrehmoments und bestimmt die erforderliche erzeugte Leistung Pr, die für das gesamte System benötigt wird.
Die Steuerungseinheit 20 ermittelt dann in der folgenden Weise einen Solldruck Prg in der Zirkulationsleitung, der durch das Regulierventil RG reguliert werden soll. Wie in 5 gezeigt ist, wird zunächst, wenn die erzeugte Leistung der Brennstoffzelle festgelegt ist, die Zirkulationsmenge des Wasserstoffgases, die zur Leistungserzeugung bei dieser erzeugten Leistung benötigt wird, festgelegt. Hier bestimmt die Steuerungseinheit 20 die erforderliche Zirkulationsmenge des Wasserstoffgases durch Bezugnahme auf eine Tabelle (beispielsweise 5), die die Beziehung zwischen der erforderlichen erzeugten Leistung Pr der Brennstoffzelle und der Zirkulationsmenge des Wasserstoffgases darstellt (S2). Die Steuerungseinheit 20 speichert die Beziehung, die in 5 gezeigt ist, als eine Datentabelle. Weil die in 5 gezeigte Beziehung eine proportionale Beziehung ist, kann sie eher als die Tabellendaten in der Form einer Korrelationsformel gespeichert werden, und die Zirkulationsmenge kann durch Berechnung ermittelt werden.
Wenn die Soll-Zirkulationsmenge festgelegt ist, wird ferner, wie in 6 gezeigt ist, die Soll-Drehzahl, die für die Wasserstoffpumpe gemäß dem Einlassdruck der Wasserstoffpumpe erforderlich ist, festgelegt. Dementsprechend misst die Steuerungseinheit 20 den Einlassdruck der Wasserstoffpumpe 103 unter Bezugnahme auf ein Erfassungssignal eines Drucksensors P2 (S3) Dann ermittelt die Steuerungseinheit 20 die Soll-Drehzahl Np, die für die Wasserstoffpumpe 103 erforderlich ist, basierend auf dem gemessenen Wert des Einlassdrucks der Wasserstoffpumpe 103 und dem Soll-Zirkulationswert, beispielsweise durch Bezugnahme auf die Datentabelle, die das in 6 gezeigte Kennfeld darstellt (S4). Die Beziehungstabelle, die in 6 gezeigt ist, ist entsprechend der Zirkulationsmenge erstellt worden.
Wenn die Zirkulationsmenge festgelegt ist, wird hier der Sollwert des Einlassdrucks der Wasserstoffpumpen theoretisch durch die in 7 gezeigte Beziehung festgelegt. Weil jedoch der Druckverlust durch einen Kanalwiderstand in der Zirkulationsleitung aus der Nähe des Auslasses der Wasserstoffpumpe 103 bewirkt wird, der durch das Ist-Regulierventil RG zum Einlass der Wasserstoffpumpe reguliert wird, muss die Soll-Drucksteuerung durchgeführt werden, indem dieser Druckverlust berücksichtigt wird. Aus diesem Grund wird der Druck der Zirkulationsleitung, der mit dem Regulierventil RG reguliert werden muss, erhalten, indem der Druckverlust zum Einlassdruck der Wasserstoffpumpe addiert wird.
Um dementsprechend den Druckverlust zu mindern, ermittelt die Steuerungseinheit 20 den Sollwert (theoretischen Wert) des Einlassdrucks der Wasserstoffpumpe 103 entsprechend der erforderlichen Zirkulationsmenge, die bei Schritt S2 erhalten wurde, indem auf die Beziehungstabelle entsprechend dem in 7 gezeigten Kennfeld Bezug genommen wird. Wenn der Einlassdruck der Wasserstoffpumpe und die Zirkulationsmenge wie in 8 gezeigt festgelegt sind, wird der Druckverlust, der in der Zirkulationsleitung vom Auslass zum Einlass der Wasserstoffpumpe 103 auftritt, festgelegt. Dementsprechend ermittelt die Steuerungseinheit 20 den Druckverlust, der durch die erforderliche Zirkulationsmenge erzeugt wird, in Bezug auf den Sollwert des Einlassdrucks der Wasserstoffpumpe 103, indem auf die Beziehungstabelle entsprechend dem Kennfeld Bezug genommen wird, das dem in 8 gezeigten Kennfeld entspricht, basierend auf dem Sollwert des Einlassdrucks der Wasserstoffpumpe 103 und der erforderlichen Zirkulationsmenge (S5).
Der durch Zusammenaddieren des Druckverlusts und des Einlassdrucks der Wasserstoffpumpe erhaltene Wert wird zum Solldruck Prg, der durch das Regulierventil RG reguliert werden soll. Dementsprechend berechnet die Steuerungseinheit 20 den Wert, der durch Addieren dieses geschätzten Werts des Druckverlusts zum Sollwert des Einlassdrucks der Wasserstoffpumpe 103 als der Solldruck Prg erhalten wird (S6).
Die Steuerungseinheit 20 gibt ein Ansteuerungssignal, so daß eine Ansteuerung bei einer Solldrehzahl Np durchgeführt wird, die bei Schritt S4 ermittelt wurde, an die Wasserstoffpumpe 103 aus und steuert zudem die Absperrventile SV6 und SV7, so dass der Druck in der Zirkulationsleitung, der mit dem Regulierungsventil RG reguliert wird, den Solldruck Prg erreicht.
Wenn die Last schwankt und eine Variation bei der erforderlichen erzeugten Leistung eintritt, die durch den Brennstoffzellenstapel 10 erzeugt werden muss, muss die Schwankung der erzeugten Leistung durch Erhöhen oder Verringern der Zirkulationsmenge der Wasserstoffpumpe 103 reguliert werden, wenn verhindert werden soll, dass der Druck in der Zirkulationsleitung sich verändert. Insbesondere ist eine unerwünschte Konsequenz des Erhöhens der Drehzahl der Wasserstoffpumpe der Anstieg des Leistungsverbrauchs. Diesbezüglich kann gemäß der vorliegenden Erfindung der Anstieg des Leistungsverbrauchs der Wasserstoffpumpe verhindert werden, indem eine Anpassung an die Lastschwankungen durch Variieren des Solldrucks Prg erfolgt, der mit dem Regulierventil RG reguliert wird, und nicht die Drehzahl der Wasserstoffpumpe geändert wird.
Wenn somit in Bezug auf den Solldruck Prg, der bereits durch die vorhergehende Verarbeitung reguliert worden ist, der Druck ansteigt (S8: JA), reguliert die Steuerungseinheit 20 die Absperrventile SV6 und SV7 in Richtung des Erhöhens des Sollwerts Prg, der mit dem Regulierventil RG reguliert wird, und des Erhaltens eines neuen Solldrucks, der bei Schritt S6 ermittelt wurde (S9).
Wenn hingegen in Bezug auf den Solldruck Prg, der bereits durch die vorhergehende Verarbeitung reguliert worden ist, der Druck abfällt (S8: NEIN, S10: JA), reguliert die Steuerungseinheit 20 die Absperrventile SV6 und SV7 in Richtung des Verringerns des Solldrucks Prg, der mit dem Regulierventil RG reguliert wird, und des Erhaltens eines neuen Solldruck, der bei Schritt S6 ermittelt wurde (S11).
Wenn der Solldruck Prg, der durch die vorhergehende Verarbeitung reguliert worden ist, sich nicht verändert (S8: NEIN, S10: NEIN), ist die Aktualisierung eines neuen Steuerungssignals nicht in besonderem Maße erforderlich. Daher unternimmt die Steuerungseinheit 20 nichts.
Die Steuerungseinheit 20 führt eine Rückkopplungssteuerung aus, um einen eingestellten Solldruck Prg durch Bezugnahme auf den Istdruck in der Zirkulationsleitung, der durch einen Drucksensor p2 erfaßt wird, beizubehalten.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform 1 wird der Solldruck der Zirkulationsleitung gemäß der Variation der Gasbedarfsmenge (Zirkulationsmenge) gesteuert, die auf die Veränderung der erforderlichen erzeugten Leistung Pr folgt. Daher kann die Schwankung des Leistungsverbrauchs durch Kompensieren der Lastschwankung mit einer Drehzahlsteuerung der Wasserstoffpumpe 103 gehemmt werden.
Insbesondere wenn die Zirkulationsmenge ansteigt, besteht die Möglichkeit, die Lastschwankung anzupassen, ohne die Drehzahl der Wasserstoffpumpe zu erhöhen. Daher kann der Leistungsverbrauch reduziert werden und die Gesamtleistungserzeugungseffizienz erhöht werden. Weil die niedrige Drehzahl beibehalten werden kann, kann die Größe der Wasserstoffpumpe reduziert werden und das gesamte Brennstoffsystem kann einer kompakten Konfiguration bereitgestellt werden.
Ausführungsform 2
Die Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung betrifft einen Modus, in dem die Systemsteuerung des Brennstoffzellensystems, die identisch ist mit der vorstehend beschriebenen von Ausführungsform 1, abhängig davon geändert wird, ob die erforderliche Abgabe höher ist als ein Standardwert. 9 zeigt ein Flussdiagramm, das den Betrieb der Ausführungsform 2 erläutert.
Zunächst berechnet die Steuerungseinheit 20 die erzeugte Leistung Pr, die für den Brennstoffzellenstapel 10 benötigt wird, basierend auf der Lastmenge, die für das Brennstoffzellensystem benötigt wird, genauso wie bei Ausführungsform 1 (S21).
Die Steuerungseinheit 20 vergleicht dann die erforderliche erzeugte Leistung Pr mit einem Standardwert Pth, der in 2 gezeigt ist (S22). Wenn die erforderliche erzeugte Leistung Pr weniger beträgt als der Standardwert Pth, erhöht die Wasserstoffpumpe 103 den Leistungsverbrauch als Reaktion auf die Lastschwankungen nicht erheblich. Dementsprechend legt die Steuerungseinheit 20 den Solldruck Prg des Regulierungsventils RG fest und behält diesen bei einem angemessenen Druck Pf bei, der erhalten wird, wenn die erforderliche erzeugte Leistung Pr der Standardwert Pth ist (S23).
Die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 103 wird in der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform 1 berechnet. Wenn der Solldruck der Zirkulationsleitung festgelegt ist, wird zunächst die Soll-Zirkulationsmenge anhand der Beziehung (beispielsweise in 5 gezeigt) zwischen der erforderlichen erzeugten Leistung Pr der Brennstoffzelle und der Zirkulationsmenge, die für die Wasserstoffpumpe 103 unter dem Solldruck benötigt wird, bestimmt (S24).
Weil in Bezug auf die festgelegte Zirkulationsmenge der Sollwert des Einlassdrucks der Wasserstoffpumpe 103 eindeutig bestimmt wird, wie in 7 gezeigt ist, bestimmt die Steuerungseinheit 20 ferner den Sollwert des Einlassdrucks der Wasserstoffpumpe 103 basierend auf der Datentabelle oder Formel, die diese Beziehung darstellt (S25). Die Steuerungseinheit 20 ermittelt dann die erforderliche Soll-Drehzahl Np, die für die Wasserstoffpumpe 103 benötigt wird, indem auf die Datentabelle Bezug genommen wird, die das Kennfeld darstellt, wie beispielsweise in 6 gezeigt ist, basierend auf der Zirkulationsmenge und dem Einlassdruck der Wasserstoffpumpe 103, die so ermittelt wurden (S26).
Nachdem der Solldruck Prg in der Zirkulationsleitung auf einen konstanten Wert Pf gestellt worden ist, wird bei der vorstehend beschriebenen Verarbeitung die Drehzahl Np, die für die Wasserstoffpumpe 103 benötigt wird, entsprechend der erforderlichen erzeugten Leistung Pr für ein jeweiliges Intervall ermittelt. Die Steuerungseinheit 20 aktualisiert das Steuerungssignal, so dass das System bei dieser Solldrehzahl Np und dem Solldruck Pf in der Zirkulationsleitung angesteuert wird (S40). Bei einer derartigen Verarbeitung wird das Brennstoffzellensystem in einem Bereich auf der linken Seite des Standardwerts Pth gesteuert, der in 2A–C gezeigt ist.
Die erforderliche erzeugte Leistung Pr in der Brennstoffzelle wird ferner mit dem Standardwert Pth bei Schritt S22 verglichen, und wenn die erforderliche erzeugte Leistung Pr größer oder gleich dem Standardwert Pth ist (NEIN), kann der Leistungsverbrauch erheblich ansteigen, wenn die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 103 weiter ansteigt. Anstelle des Solldrucks Np des Regulierventils RG, legt dementsprechend die Steuerungseinheit 20 die Pumpendrehzahl Np auf eine entsprechend Drehzahl Nf bei der erforderlichen erzeugten Leistung Pth fest (S30). Der Solldruck Prg, der durch das Regulierventil RG reguliert wird, wird dann entsprechend der Veränderung der erforderlichen erzeugten Leistung Pr abgeschätzt.
Die notwendige Zirkulationsmenge wird zunächst anhand der Beziehung (5) zwischen der erforderlichen erzeugten Leistung Pr der Brennstoffzelle und der Zirkulationsmenge bestimmt, die für die Wasserstoffpumpe 103 benötigt wird (S31). Der Einlassdruck der Wasserstoffpumpe 103 wird dann abgeschätzt, indem auf die Beziehungstabelle Bezug genommen wird, die in 6 gezeigt ist, anhand der festgelegten Pumpendrehzahl Nf und der festgelegten erforderlichen Zirkulationsmenge (S32). Wenn der Einlassdruck der Wasserstoffpumpe 103 und die erforderliche Zirkulationsmenge festgelegt sind, wird er Druckverlust von dem Einlass der Brennstoffzellenstapels 10 zum Einlass der Wasserstoffpumpe 103 durch die Beziehung bestimmt, beispielsweise, wie in 8 gezeigt ist (S33). Daher berechnet die Steuerungseinheit 20 als den Solldruck Prg einen Wert, der durch Addieren dieses abgeschätzten Werts des Druckverlusts zum Einlassdruck der Wasserstoffpumpe 103 erhalten wird (S34).
Die Steuerungseinheit 20 aktualisiert das Steuerungssignal, so dass der Druck in der Zirkulationsleitung bei dem Solldruck Prg, der durch die vorstehend beschriebene Verarbeitung ermittelt wurde, beibehalten wird und die Wasserstoffpumpe 103 bei der vorbestimmten Drehzahl (S40) arbeitet. Somit ändert die Steuerungseinheit 20 den Luftdruck, so dass die Regulierungsmenge des Regulierungsventils Rg den Solldruck Prg durch Steuern der Absperrventile SV7 und SV6 erreicht, so dass der regulierte Druck den abgeschätzten Solldruck Prg erreicht. Die Steuerungseinheit 20 schließt das Absperrventil SV6 ab, sobald der Solldruck erreicht worden ist, indem beispielsweise auf den Erfassungswert des Drucksensors p2 Bezug genommen wird. Der Druck in der Zirkulationsleitung erreicht den Solldruck Prg als Folge dieses Betriebs. Ferner gibt die Steuerungseinheit 20 das Ansteuerungssignal, so dass die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 103 die konstante Drehzahl Nf erreicht, an die Wasserstoffpumpe 103 aus. Bei einer solchen Verarbeitung wird das Brennstoffzellensystem in einem Bereich auf der rechten Seite des Standardwerts Pth, der in 2A–C gezeigt ist, gesteuert.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform 2 wird in dem Bereich, wo die erforderliche erzeugte Leistung Pr größer oder gleich dem Standardwert Pth ist, die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 103 festgelegt und nicht erhöht, und der Druck in der Zirkulationsleitung wird entsprechend der Lastschwankung geändert. Daher kann das Brennstoffzellensystem ohne einen erheblichen Anstieg des Leistungsverbrauchs, der dem Anstieg der Pumpendrehzahl zugeordnet ist, betrieben werden, und die Gesamtleistungserzeugungseffizienz kann erhöht werden. Weil eine niedrige Drehzahl beibehalten werden kann, kann ferner die Größe der Wasserstoffpumpe reduziert und das gesamte Brennstoffsystem kann in einer kompakten Konfiguration bereitgestellt werden.
Ferner wird in dem Bereich, in dem die erforderliche erzeugte Leistung Pr geringer ist als der Standardwert Pth, der Druck in der Zirkulationsleitung festgelegt und nur die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 103 entsprechend den Lastschwankungen geändert. Daher kann die Steuerung in einer einfachen Weise durchgeführt werden. Wenn die erforderliche erzeugte Leistung oder Zirkulationsmenge somit abfällt, wird die Steuerung durchgeführt, um die Drehzahl dementsprechend zu verringern. Daher kann der Leistungsverbrauch gemäß dem Lastzustand des Systems auf rationale Weise reduziert werden und die Leistungserzeugungseffizienz des gesamten Systems kann ferner erhöht werden.
Ausführungsform 3
Die Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung betrifft ein Modifizierungsbeispiel eines Verfahrens zum Steuern des Solldrucks Prg des Regulierventils RG und der Drehzahl Np der Wasserstoffpumpe mit der Steuerungseinheit in dem Brennstoffzellensystem-Steuerungsverfahren, das mit der vorstehend beschriebenen Ausführungsform 2 identisch ist.
Wenn bei der Ausführungsform 3 die erforderliche erzeugte Leistung Pr, die für die Brennstoffzelle benötigt wird, und die verbrauchte Menge des Brenngases einander entsprechen, wie in 10A gezeigt ist, wird die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 103 gemäß dem Kennfeld variiert, wie in 10B gezeigt ist, und der Solldruck des Regulierungsventils Rg wird gemäß dem Kennfeld variiert, wie in 10C gezeigt ist. Insbesondere wenn bei der Ausführungsform 1 die erforderliche erzeugte Leistung Pr größer oder gleich dem Standardwert Pt wäre, wäre die Drehzahl der Wasserstoffpumpe auf einen festen Wert Nf eingestellt. Ein spezifisches Merkmal der Ausführungsform 2 ist, dass in diesem Fall die Drehzahl der Wasserstoffpumpe entweder monoton erhöht (fp1) oder monoton verringert wird (fp1) wird, und nicht auf einen festen Wert Nf eingestellt wird.
Wenn in anderen Worten die Drehzahl der Wasserstoffpumpe ansteigt, steigt die verbrauchte Leistung rasch an, wenn aber immer noch ein Spielraum vorhanden ist, bevor die Drehzahl der Wasserstoffpumpe bei dem Standardwert Pth beginnt, einen solchen Trend aufzuweisen, ist es nicht notwendig, die Drehzahl unmittelbar auf einen festen Wert einzustellen. In diesem Fall kann die Drehzahl allmählich erhöht werden (fp1). Zu diesem Zeitpunkt wird der Druck gemäß der erforderlichen erzeugten Leistung Pr variiert, so dass der Solldruck Prg des Regulierungsventils RG das Defizit der Zirkulationsmenge entsprechend der Anstiegsrate der Drehzahl der Wasserstoffpumpe kompensiert, die gemäß dem Flussdiagramm, wie in 9 gezeigt ist (10C, fv1), graduell geworden ist. Die Neigung dieser Variationskurve ist geringer als in Ausführungsform 2.
Die Drehzahl der Wasserstoffpumpe beim Standardwert Pth kann hingegen so gesteuert werden, dass die Drehzahl als Reaktion auf den Anstieg der erforderlichen erzeugten Leistung Pr in der Spitz reduziert wird (fp2). Zu diesem Zeitpunkt wird der Druck gemäß der erforderlichen erzeugten Leistung Pr geändert, so dass der Solldruck Prg des Regulierventils RG das Defizit der Zirkulationsmenge, das der Verringerung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe entspricht, die dazu neigt, abzunehmen, gemäß dem Flussdiagramm, wie in 9 gezeigt ist (10C, fv2) kompensiert. Die Neigung dieser Verlaufskurve ist natürlich größer als die der Ausführungsform 2 oder der des Druckkennfelds fv1, das erhalten wird, wenn die Drehzahl der Wasserstoffpumpe erhöht würde.
Wie in Ausführungsform 3 gezeigt ist, kann die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung zudem demonstriert werden, wenn sowohl die Drehzahl der Wasserstoffpumpe als auch der Solldrucks des Regulierungsventils geändert werden, ohne einen dieser beiden Werte festzulegen.
Ausführungsform 4
Die Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung betrifft ein weiteres Modifizierungsbeispiel für ein Verfahren zum Steuern des Solldrucks Prg des Regulierungsventils RG und der Drehzahl Np der Wasserstoffpumpe in dem Brennstoffzellensystemsteuerungsverfahren, das mit dem vorstehend beschriebenen von Ausführungsform 2 identisch ist.
Wenn bei der Ausführungsform 4 die erforderliche erzeugte Leistung Pr, die für die Brennstoffzelle benötigt wird, und die verbrauchte Menge von Brenngas einander entsprechen, wie in 11A gezeigt ist, wird die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 103 gemäß dem Kennfeld geändert, das in 11B gezeigt ist, und der Solldruck des Regulierventils RG wird gemäß dem Kennfeld, das in 11C geändert. Insbesondere ist ein spezifisches Merkmal dieser Ausführungsform, dass, bei der Verwendung eines Standardwerts Pth als eine Referenz für die erforderliche erzeugte Leistung Pr, die Pumpendehzahl und der Solldruck allmählich als Asymptoten, ohne Diskontinuitätspunkte, und nicht diskontinuierlich geändert werden.
In anderen Worten, wenn die erforderliche erzeugte Leistung Pr den Standardwert Pth erreicht, nähert die Steuerungseinheit 20 allmählich die Drehzahl der Wasserstoffpumpe einem festen Wert an, der in 11B durch fp3 gezeigt ist. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich der Sollwert Prg der Zirkulationsleitung, um das Defizit der Zirkulationsmenge zu ändern, das durch die Veränderung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe bewirkt wird, die sich allmählich entsprechend dem Flussdiagramm annähert, das in 9 gezeigt ist, (11C, fv3).
Somit wird bei dieser Ausführungsform 4 entweder die Drehzahl der Wasserstoffpumpe oder der Solldruck des Regulierventils allmählich variiert und angenähert, ohne diskontinuierlich auf einen festen Wert eingestellt zu werden, und mit diesem Verfahren kann auch die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung demonstriert werden.

Claims

Brennstoffzellensystem aufweisend: eine Brennstoffzelle (10), die ausgestaltet ist, um eine Leistung durch Zirkulieren eines Brenngases zu erzeugen; eine Brenngasversorgungsquelle (101) die ausgestaltet ist, um das Brenngas der Brennstoffzelle (10) zuzuführen; eine Zirkulationsleitung, die ausgestaltet ist, um das Brenngas, das der Brennstoffzelle (10) zugeführt wird, zu zirkulieren; eine Brenngas-Fördereinrichtung (103), die in der Zirkulationsleitung bereitgestellt ist und ausgestaltet ist, um das Brenngas zu zirkulieren, indem ein Brenngasmengenstrom gesteuert wird; eine Druckregulierungseinrichtung (RG), die zwischen der Brenngasversorgungsquelle (101) und der Zirkulationsleitung bereitgestellt ist und ausgestaltet ist, um einen Druck des Brenngases in der Zirkulationsleitung auf einen vorbestimmten Druck zu regulieren, und eine Steuerungseinrichtung (20), die ausgestaltet ist, um den Brenngasmengenstrom der Brenngas-Fördereinrichtung (103) zu steuern und die Druckregulierungseinrichtung (RG) zu regulieren, wobei vermittels der Steuereinrichtung ein Mangel an Brenngas aufgrund der Verhinderung einer Änderung des Brenngasmengenstroms der Brenngas-Fördereinrichtung (103) durch Erhöhen eines Drucks des Brenngases in der Zirkulationsleitung kompensierbar ist, wenn eine Gasbedarfsmenge, die in der Brennstoffzelle (10) benötigt wird, erhöht wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei vermittels der Druckregulierungseinrichtung (RG) der Druck des Brenngases in der Zirkulationsleitung gemäß dem Anstieg einer Gasbedarfsmenge, die in der Brennstoffzelle (10) benötigt wird, erhöhbar ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Brenngas-Fördereinrichtung (103) basierend auf der Gasbedarfsmenge und einem Messwert des Drucks innerhalb der Zirkulationsleitung steuerbar ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, das ferner folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung zum Bestimmen eines Ansteuerungskennfelds der Brenngas-Fördereinrichtung (103) basierend auf einer erzeugten Leistung, die für die Brennstoffzelle (10) benötigt wird; und eine Einrichtung zum Bestimmen der Druckregulierungsmenge, die durch die Druckregulierungseinrichtung (RG) basierend auf dem eingestellten Ansteuerungskennfeld bereitgestellt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei ein Druck der Druckregulierungseinrichtung (RG) entsprechend einer Variation eines Luftdrucks regulierbar ist, der durch Öffnen und Schließen eines Paars von Absperrventilen steuerbar ist.
Brennstoffzellensystems nach Anspruch 1, wobei die Brenngas-Fördereinrichtung (103) entweder eine Pumpe, ein Verdichter oder eine Turbine ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Brenngasversorgungsquelle ein mit Wasserstoff befüllter Wasserstofftank ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei eine Druckregulierungsmenge der Druckregulierungseinrichtung (RG) kontinuierlich und graduell von einem Bereich, in dem zumindest die Gasbedarfsmenge kleiner oder gleich einem Standardwert ist, zu einem Bereich variierbar ist, in dem zumindest die Gasbedarfsmenge höher ist als der Standardwert.
Steuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das mit einer Brennstoffzelle (10) zum Erzeugen einer Leistung durch Zirkulieren eines Brenngases ausgestattet ist, wobei das Ansteuerungsverfahren folgende Schritte aufweist: Ermitteln einer Gasmenge, die in der Brennstoffzelle (10) benötigt wird; und Kompensieren eines aufgrund einer Verhinderung einer Änderung eines Brenngasmengenstroms einer Brenngas-Fördereinrichtung (103) auftretenden Mangels an Brenngas, indem ein Druck des Brenngases in einer Zirkulationsleitung erhöht wird, wenn eine Gasbedarfsmenge, die in der Brennstoffzelle (10) benötigt wird, erhöht wird.
Steuerungsverfahren nach Anspruch 9, wobei in einem Bereich, in dem zumindest die Gasbedarfsmenge höher ist als ein Standardwert, die Druckregulierungsmenge der Druckregulierungseinrichtung (RG) entsprechend einer Variation der Gasbedarfsmenge variierbar ist.
Steuerungsverfahren nach Anspruch 9, wobei in einem Bereich, in dem die Gasbedarfsmenge höher ist als ein Standardwert, eine Variationsrate des Brenngasmengenstroms der Brenngas-Fördereinrichtung (103) in bezug auf die eines Bereichs reduzierbar ist, wo die Gasbedarfsmenge niedriger ist als der Standardwert.
Steuerungsverfahren nach Anspruch 9, wobei in einem Bereich, in dem die Gasbedarfsmenge niedriger ist als ein Standardwert, die Druckregulierungsmenge der Druckregulierungseinrichtung (RG) kleiner als oder gleich einem konstanten Wert beibehalten wird.
Steuerungsverfahren nach Anspruch 9, wobei in einem Bereich, in dem zumindest die Gasbedarfsmenge höher ist als Standardwert, ein Brenngasmengenstrom der Brenngas-Fördereinrichtung (103) unterdrückt wird und eine Druckregulierungsmenge der Druckregulierungseinrichtung (RG) so variiert wird, dass das Defizit des Brenngasmengenstroms der Brenngas-Fördereinrichtung (103) zu kompensiert wird.
Steuerungsverfahren nach Anspruch 9, wobei in einem Bereich, in dem zumindest die Gasbedarfsmenge höher ist als ein Standardwert, eine Druckregulierungsmenge der Druckregulierungseinrichtung (RG) monoton variierbar ist.
Steuerungsverfahren nach Anspruch 9, wobei sowohl ein Brenngasmengenstrom der Brenngas-Fördereinrichtung (103) als auch eine Druckregulierungsmenge der Druckregulierungseinrichtung (RG) in einem Bereich variierbar sind, in dem zumindest die Gasbedarfsmenge höher ist als ein Standardwert.