DE112006003292T5 - Brennstoffzellensystem und beweglicher Gegenstand - Google Patents

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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem mit: einer Brennstoffzelle; einem Brennstoffzufuhrsystem, um ein Brennstoffgas dieser Zelle zuzuführen; einem Injektor, welcher ein Gasstadium an einer stromaufwärtigen Seite dieses Brennstoffzufuhrsystems einstellt, um das Gas einer stromabwärtigen Seite zuzuführen; und ein Steuermittel, um diesen Injektor in einem vorher festgelegten Antriebszyklus anzutreiben und zu steuern, wobei das Steuermittel den Antriebszyklus in Übereinstimmung mit einem Betriebsstadium der Brennstoffzelle einstellt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und einen beweglichen Gegenstand.
  • Stand der Technik
  • Derzeit wurde ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen und in den praktischen Einsatz gebracht, welches eine Brennstoffzelle enthält, die die Zufuhr eines Reaktionsgases (eines Brennstoffgases und eines Oxidationsgases) erhält, um Energie zu erzeugen. Solch ein Brennstoffzellensystem ist mit einem Brennstoffzufuhrkanal versehen, um der Brennstoffzelle das Brennstoffgas zuzuführen, welches von einer Brennstoffzufuhrquelle wie beispielsweise einem Wasserstofftank zugeführt wird.
  • Wenn ein Zufuhrdruck des Brennstoffgases von der Brennstoffzufuhrquelle bemerkenswert hoch ist, wird zusätzlich ein Druckeinstellventil (ein Regulator) normalerweise in einem Brennstoffzufuhrkanal vorgesehen, um diesen Zufuhrdruck auf einen gewissen Wert zu verringern. Derzeit wird eine Technologie vorgeschlagen, in welcher ein mechanisches Druckeinstellventil (variabler Regulator) der variablen Art in dem Brennstoffzufuhrkanal vorgesehen ist, um den Zufuhrdruck des Brennstoffgases beispielsweise um zwei Stufen zu ändern, wobei der Zufuhrdruck des Brennstoffgases in Übereinstimmung mit einem Betriebsstadium des Systems geändert wird (siehe zum Beispiel die japanische Patentanmeldung Offenlegungsnummer 2004-139984 ).
  • Ferner wurde in den letzten Jahren eine Technologie vorgeschlagen, in welcher ein Injektor in dem Brennstoffzufuhrkanal des Brennstoffzellensystems angeordnet ist und ein Betriebsstadium dieses Injektors gesteuert wird, wobei der Zufuhrdruck des Brennstoffgases in dem Brennstoffzufuhrkanal eingestellt wird. Der Injektor ist ein Öffnungs/Schließventil der elektromagnetischen Antriebsart, in welchem ein Ventilkörper direkt mit einer elektromagnetischen Antriebskraft in einem vorher festgelegten Antriebszyklus und losgelöst von einem Ventilsitz angetrieben werden kann, um ein Gasstadium (eine Gasfließrate oder einen Gasdruck) einzustellen. Eine Steuervorrichtung treibt den Ventilkörper des Injektors an, um eine Einspritzabstimmung eine Einspritzzeit des Brennstoffgases zu steuern, wobei die Fließrate und der Druck des Brennstoffgases gesteuert werden können.
  • In einem Brennstoffzellensystem, welches solch einen Injektor einsetzt, treibt die Steuervorrichtung den Injektor in einem vorher festgelegten Antriebszyklus an. Wenn der Antriebszyklus äußerst lang ist, kann jedoch ein Pulsieren in dem Zufuhrdruck des Brennstoffgases auftreten. Daher wurde hierfür der Injektor in einem vergleichbar kurzen konstanten Antriebszyklus T wie in der 8A gezeigt angetrieben, um das Pulsieren des Zufuhrdrucks des Brennstoffgases zu unterdrücken.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Wenn ein Injektor in einem vergleichbar kurzen konstanten Antriebszyklus betrieben wird, tritt jedoch das folgende Problem auf. Dieses besteht darin, dass eine Steuervorrichtung eine Steuerung ausführt, um einen Druck eines Brennstoffgases in Übereinstimmung mit einem Betriebsstadium der Brennstoffzelle einzustellen, so dass eine Einspritzfließrate des Injektors verringert wird, um einen Zufuhrdruck des Brennstoffgases in einem Fall zu verringern, in dem ein Leistungserzeugungsstrom der Brennstoffzelle klein ist. Wenn der Antriebszyklus des Injektors während solch einer Steuerung kurz und konstant ist, wie in der 8B gezeigt, tritt eine Nicht-Einspritzzeit to unregelmäßig auf und der Injektor arbeitet unregelmäßig. Wenn der Injektor auf diese Weise unregelmäßig arbeitet, wird ein ungewünschtes Arbeitsgeräusch erzeugt.
  • Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf solch eine Situation entwickelt, und ihre Aufgabe ist, die Erzeugung eines ungewünschten Arbeitsgeräusches in einem Brennstoffzellensystem, welches einen Injektor enthält, zu unterdrücken.
  • Um die oben genannte Aufgabe zu lösen, ist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Brennstoffzelle, einem Brennstoffzufuhrsystem, um ein Brennstoffgas dieser Brennstoffzelle zuzuführen, einem Injektor, welcher ein Gasstadium an einer stromaufwärtigen Seite dieses Brennstoffzufuhrsystems einstellt, um das Gas zu einer stromabwärtigen Seite zu führen, und einem Steuermittel, um diesen Injektor in einem vorher festgelegten Antriebszyklus anzutreiben und zu steuern, wobei das Steuermittel den Antriebszyklus in Übereinstimmung mit einem Betriebsstadium der Brennstoffzelle einstellt.
  • Gemäß einem solchen Aufbau kann der Antriebszyklus des Injektors in Übereinstimmung mit einem Betriebsstadium der Brennstoffzelle (eine Menge einer durch die Brennstoffzelle zu erzeugenden Leistung) (eine Leistung, ein Strom, eine Spannung), eine Temperatur der Brennstoffzelle, ein Betriebsstadium während der Durchführung eines Reinigungsbetriebs, ein Betriebsstadium während des Starts, ein unterbrochenes Betriebsstadium, ein abweichendes Stadium des Brennstoffzellensystems, ein abweichendes Stadium des Hauptkörpers der Brennstoffzelle, usw.) einzustellen (zu ändern). In einem Fall, in dem der Leistungserzeugungsstromwert der Brennstoffzelle klein ist, kann beispielsweise der Antriebszyklus verlängert werden, so dass ein unregelmäßiger Betrieb des Injektors verhindert werden kann. Als ein Ergebnis kann die Erzeugung des ungewünschten Betriebsgeräusches unterdrückt werden. Es sollte erkannt werden, dass das „Gasstadium" ein Gasstadium ist, das durch eine Fließrate, Druck, Temperatur, Molakonzentration oder Ähnliches angezeigt wird, und insbesondere mindestens eines von Gasfließrate und Gasdruck beinhaltet.
  • In dem Brennstoffzellensystem ist es bevorzugt, dass das Steuermittel den Antriebszyklus einstellt, lang zu sein, wenn eine Menge einer Leistung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, klein ist. Ferner ist es in dem Brennstoffzellensystem bevorzugt, dass das Steuermittel den Antriebszyklus einstellt, lang zu sein, wenn ein Druck des Brennstoffgases, welches der Brennstoffzelle zugeführt wird, niedrig ist.
  • In diesem Fall kann der unregelmäßige Betrieb des Injektors während der Verringerung der Menge der durch die Brennstoffzelle zu erzeugenden Leistung und während der Absenkung des Zufuhrdrucks des Brennstoffgases verhindert werden, um die Erzeugung des ungewünschten Betriebsgeräusches zu unterdrücken.
  • Ferner kann in dem Brennstoffzellensystem das Brennstoffzufuhrsystem mit einem Brennstoffzufuhrkanalversehen sein, um der Brennstoffzelle das von dem Brennstoffzellensystem zugeführte Brennstoffgas zuzuführen, mit einem Brennstoffauslasskanal, um ein Brennstoffabgas, welches von der Brennstoffzelle kommt, abzuführen, und mit einem Auslassventil, um das Gas aus dem Brennstoffauslasskanal abzuführen. In solch einem Fall ist es bevorzugt, dass das Steuermittel einen Öffnungs/Schließbetrieb des Auslassventils steuert, um einen Reinigungsbetrieb des Brennstoffabgases durchzuführen, und stellt den Antriebszyklus während der Durchführung des Reinigungsbetriebs auf eine kürzere Zeit einstellt als während der Durchführung keines Reinigungsbetriebs.
  • In diesem Fall kann der Zufuhrdruck des Brennstoffgases gehindert werden, zeitweilig während der Durchführung eines Reinigungsbetriebs abzusinken. Als ein Ergebnis kann die Verringerung einer Leistungserzeugungseffizienz während des Reinigens unterdrückt werden.
  • Ferner ist es in dem Brennstoffzellensystem bevorzugt, dass das Steuermittel in einem vorher festgelegten Berechnungszeitraum eine Berechnung durchführt und den Antriebszyklus in einer Vielzahl von Berechnungszeiträumen einstellt.
  • In diesem Fall wird der Antriebszyklus des Injektors einfach mit dem Berechnungszeitraum des Steuermittels synchronisiert, so dass eine Steuerpräzision des Injektors verbessert werden kann.
  • In dem Brennstoffzellensystem ist es ferner bevorzugt, dass das Steuermittel den Antriebszyklus während vollständiger Öffnungssteuerung oder vollständiger Schließsteuerung des Injektors auf eine kürzere Zeit einstellt als während nicht vollständiger Öffnungssteuerung oder nicht vollständiger Schließsteuerung.
  • In diesem Fall ist es möglich, eine Überschreitung (ein Stadium, in welchem eine Steuermenge oberhalb eine Zieldruckwertes ist) des Injektors während der vollständigen Öffnungssteuerung und eine Unterschreitung (ein Stadium, in welchem die Steuermenge unterhalb des Zieldruckwertes ist) des Injektors während der vollständigen Schließsteuerung zu unterdrücken, wodurch eine Steuerpräzision während der vollständigen Öffnungs- oder vollständigen Schließsteuerung des Injektors verbessert werden kann.
  • Ferner enthält ein beweglicher Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung das Brennstoffzellensystem.
  • Solch ein Aufbau enthält das Brennstoffzellensystem, in welchem der unregelmäßige Betrieb des Injektors verhindert werden kann, um die Erzeugung des ungewünschten Betriebsgeräusches zu unterdrücken, so dass eine Unannehmlichkeit einem Passagier des beweglichen Gegenstandes kaum weitergegeben wird. Das Betriebsgeräusch ist stabilisiert, wodurch der Passagier mit dem Gefühl von Sicherheit versehen werden kann.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann in dem Brennstoffzellensystem, welches den Injektor enthält, die Erzeugung des unerwünschten Betriebsgeräusches unterdrückt werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Aufbaudiagramm des Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist ein Steuerblockdiagramm, welches einen Steuerungsaufbau einer Steuervorrichtung des in der 1 gezeigten Brennstoffzellensystems zeigt;
  • 3A ist ein Plan (eine normale Zeit: während der Durchführung eines Nichtreinigungsbetriebs), welcher die Relation zwischen einem Leistungserzeugungsstromwert und einer Antriebsfrequenz des in der 1 gezeigten Brennstoffzellensystems anzeigt;
  • 3B ist ein Plan (während der Durchführung eines Reinigungsbetriebs), welcher eine Relation zwischen dem Leistungserzeugungsstromwert und der Antriebsfrequenz des in der 1 gezeigten Brennstoffzellensystems anzeigt;
  • 4A ist ein wellenförmiges Diagramm (ein Fall, in dem der Leistungserzeugungsstromwert groß ist), welcher eine Wellenform des Antriebszyklus des Injektors des in der 1 gezeigten Brennstoffzellensystems anzeigt;
  • 4B ist ein wellenförmiges Diagramm (ein Fall, in dem der Leistungserzeugungsstromwert klein ist), welcher eine Wellenform des Antriebszyklus des Injektors des in der 1 gezeigten Brennstoffzellensystems anzeigt;
  • 5 ist ein Zeitbild, welches die Geschichte des Wasserstoffgaszufuhrdrucks mit der Zeit während der vollständigen Öffnungssteuerung des Brennstoffzellensystems zeigt;
  • 6 ist ein Flußdiagramm, welches ein Betriebsverfahren des in der 1 gezeigten Brennstoffzellensystems zeigt;
  • 7 ist ein Aufbaudiagramm, welches eine Abwandlung des in der 1 gezeigten Brennstoffzellensystems zeigt;
  • 8A ist ein wellenförmiges Diagramm (ein Fall, in dem der Leistungserzeugungsstromwert groß ist), welches eine Wellenform eines Antriebszyklusses eines Injektors eines herkömmlichen Brennstoffzellensystems zeigt; und
  • 8B ist ein wellenförmiges Diagramm (ein Fall, in dem der Leistungserzeugungsstromwert klein ist), welches eine Wellenform eines Antriebszyklusses des Injektors des herkömmlichen Brennstoffzellensystems zeigt.
  • Beste Art, die Erfindung auszuführen
  • Ein Brennstoffzellensystem 1 nach einen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird hiernach mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Beispiel beschrieben, in welchem die vorliegende Erfindung auf ein an einem Fahrzeug montierten Leistungserzeugungssystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs S (eines beweglichen Gegenstandes) angewandt wird.
  • Als erstes wird ein Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben. Wie in der 1 gezeigt, enthält das Brennstoffzellensystem 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Brennstoffzelle 10, welche die Zufuhr eines Reaktionsgases (ein Oxidationsgas und ein Brennstoffgas) erhält, um Leistung zu erzeugen, und ferner ein Oxidationsgasrohrsystem 2 enthält, welches Luft als ein Oxidationsgas der Brennstoffzelle 10 zuführt, ein Wasserstoffgasrohrsystem 3, welches ein Wasserstoffgas als ein Brennstoffgas der Brennstoffzelle 10 zuführt, eine Steuervorrichtung 4, die allgemein das gesamte System und ähnliches steuert.
  • Die Brennstoffzelle 10 hat einen Stapelaufbau, in welchem die benötigte Anzahl von Einheitszellen zur Aufnahme der Zufuhr des Reaktionsgases zur Erzeugung der Leistung geschichtet ist. Die durch die Brennstoffzelle 10 erzeugte Leistung wird einer Leistungssteuerungseinheit (PCU) 11 zugeführt. Die PCU 11 enthält einen Inverter, einen DC-DC-Umwandler und ähnliches, welche zwischen der Brennstoffzelle 10 und einem Antriebsmotor 12 angeordnet sind. Ferner ist ein Stromsensor 13, welcher während der Leistungserzeugung einen Strom erfasst, an der Brennstoffzelle 10 angebracht.
  • Das Oxidationsgasrohrsystem 2 enthält einen Luftzufuhrkanal 21, welcher das Oxidationsgas (Luft), das durch einen Befeuchter 20 befeuchtet wird, der Brennstoffzelle 10 zuführt, einen Luftauslasskanal 22, welcher ein Oxidationsabgas, welches von der Brennstoffzelle 10 kommt, dem Befeuchter 20 zuführt, und einen Auslasskanal 23, um das Oxidationsabgas von dem Befeuchter 20 nach außen abzuführen. Der Luftzufuhrkanal 21 ist mit einem Kompressor 24 versehen, welcher das Oxidationsgas von atmosphärischer Luft nimmt, um das Gas unter Druck dem Befeuchter 20 zuzuführen.
  • Das Wasserstoffgasrohrsystem 3 enthält einen Wasserstofftank 30 als eine Brennstoffzufuhrquelle, in welchem ein Wasserstoffgas mit hohem Druck aufgenommen wird, einen Wasserstoffzufuhrkanal 31 als ein Brennstoffzufuhrkanal, um das Wasserstoffgas vom Wasserstofftank 30 der Brennstoffzelle 10 zuzuführen, und einen Umlaufkanal 32, um ein Wasserstoffabgas, welches von der Brennstoffzelle 10 kommt, zu dem Was serstoffzufuhrkanal 31 zurückzuführen. Das Wasserstoffgasrohrsystem 3 ist ein Ausführungsbeispiel des Brennstoffzufuhrsystems in der vorliegenden Erfindung. Es sollte erkannt werden, dass anstelle eines Wasserstofftanks 30 eine Wiederherstellungseinheit, welche ein wasserstoffreiches Wiederherstellungsgas aus einem Hydrocarbon basierenden Brennstoff bildet, und ein Hochdruck-Gastank, welcher das Wiederherstellungsgas, das durch diese Wiederherstellungseinheit gebildet wird, in ein Hochdruckstadium bringt, um einen Druck zu akkumulieren, als die Brennstoffzufuhrquellen eingesetzt werden können. Alternativ kann ein Tank mit einer Wasserstoff bindenden Legierung als die Brennstoffzufuhrquelle eingesetzt werden.
  • Der Wasserstoffzufuhrkanal 31 ist mit einem Absperrventil 33 versehen, welches die Zuführung des Wasserstoffgases vom Wasserstofftank 30 blockiert oder ermöglicht, mit Regulatoren 34, welche einen Druck des Wasserstoffgases einstellen, und mit einem Injektor 35. Ferner sind an einer stromaufwärtigen Seite des Injektors 35 ein primärer Drucksensor 41 und ein Temperatursensor 42 vorgesehen, die jeweils einen Druck und eine Temperatur des Wasserstoffgases in dem Wasserstoffzufuhrkanal 31 erfassen. An einer stromabwärtigen Seite des Injektors 35 und einer stromaufwärtigen Seite eines Verbindungsteils zwischen dem Wasserstoffzufuhrkanal 31 und dem Umlaufkanal 32 ist ein Sekundärdrucksensor 43 vorgesehen, welcher den Druck des Wasserstoffgases im Wasserstoffzufuhrkanal 31 erfasst.
  • Der Regulator 34 ist eine Vorrichtung, welche einen stromaufwärtigen Druck (einen primären Druck) an einen vorher festgelegten sekundären Druck anpasst. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein mechanisches Druckverringerungsventil als der Regulator 34 eingesetzt, welches den primären Druck verringert. Ein allgemein bekannter Aufbau kann für das mechanische Druckminderungsventil angenommen werden, welches ein Gehäuse aufweist, das mit einer Rückdruckkammer und einer Druckanpasskammer ausgebildet ist, die durch ein Diaphragma getrennt sind, um den primären Druck in der Druckanpasskammer durch einen vorher festgelegten Druck auf den sekundären Druck mittels des Rückdrucks innerhalb der Rückdruckkammer zu mindern. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel können wie in der 1 gezeigt zwei Regulatoren 34 an der stromaufwärtigen Seite des Injektors 35 angeordnet sein, um einen stromaufwärtigen Druck des Injektors 35 effizient zu vermindern. Dadurch kann ein Freiheitsgrad bezüglich der Konstruktion einem mechanischen Aufbau (ein Ventilkörper, ein Gehäuse, ein Kanal, eine Antriebsvorrichtung, usw.) des Injektors 35 gesteigert werden. Der stromaufwärtige Druck des Injektors 35 kann verringert werden, so dass verhindert werden kann, dass der Ventilkörper des Injektors 35 sich aufgrund eines Anstieges eines Unterschieds zwischen dem stromaufwärtigen Druck und einem stromabwärtigen Druck des Injektors 35 nicht einfach bewegt. Daher kann ein variabler Druckanpassungsbereich des stromabwärtigen Drucks des Injektors 35 erweitert werden und ein Absenken der Reaktionseigenschaften des Injektors 35 kann unterdrückt werden.
  • Der Injektor 35 ist ein elektromagnetisch angetriebenes Öffnungs/Schließventil, welches geeignet ist, den Ventilkörper direkt mit einer elektromagnetischen Antriebskraft in einem vorher festgelegten Antriebszyklus anzutreiben, um den Ventilkörper von einem Ventilsitz zu lösen, wodurch eine Gasfließrate und ein Gasdruck angepasst werden können. Der Injektor 35 enthält den Ventilsitz mit einer Einspritzöffnung, um ein Brennstoffgas wie beispielsweise Wasserstoffgas einzuspritzen, einen Düsenkörper, welcher das Brennstoffgas zu der Einspritzöffnung leitet und zuführt, und den Ventilkörper, welcher in einer axialen Richtung (einer Gasfließrichtung) hinsichtlich dieses Ventilkörpers beweglich gehalten ist, um die Einspritzöffnung zu öffnen und zu schließen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Ventilkörper des Injektors 35 durch einen Solenoid als eine elektromagnetische Antriebsvorrichtung angetrieben, und ein pulsartiger Anregungsstrom, welcher zu diesem Solenoid zugeführt werden soll, kann an- oder abgeschaltet werden, um Öffnungsbereiche der Einspritzöffnung in zwei Stufen oder in vielfachen Stufen zu schalten. Eine Gaseinspritzzeit und ein Gaseinspritzablauf des Injektors 35 sind basierend auf einer Steuersignalausgabe der Steuervorrichtung 4 gesteuert, wodurch ein Fließrate und ein Druck des Wasserstoffgases genau gesteuert werden. Der Injektor 35 treibt das Ventil (den Ventilkörper und den Ventilsitz) mit einer elektromagnetischen Antriebskraft an, um das Ventil zu öffnen und zu schließen, und ein Antriebszyklus des Injektors kann bis zu einem Bereich hoher Responsibilität gesteuert werden. Daher hat der Injektor eine hohe Reaktionseigenschaft.
  • Um eine benötigte Gasfließrate zu der stromabwärtigen Seite des Injektors 35 zuzuführen, wird mindestens eines von Öffnungsbereich (ein Öffnungsgrad) und Öffnungszeit des Ventilkörpers, welcher in einem Gaskanal des Injektors 35 vorgesehen ist, geändert, wodurch die Fließrate (oder eine molare Wasserstoffkonzentration) des Gases, welches der stromabwärtigen Seite (eine Seite der Brennstoffzelle 10) zugeführt werden soll, eingestellt. Es sollte erkannt werden, dass der Ventilkörper des Injektors 35 geöffnet und geschlossen wird, um die Gasfließrate einzustellen, und ein Druck des Gases, welches zu der stromabwärtigen Seite des Injektors 35 zugeführt werden soll, wird verglichen mit der des Gases, welches der stromaufwärtigen Seite des Injektors 35 zugeführt werden soll, verringert. Daher kann der Injektor 35 als Druckeinstellventil (ein Druckminderventil, ein Regulator) interpretiert werden. Ferner kann in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Injektor 35 als variables Druckeinstellventil interpretiert werden, welches geeignet ist, eine Druckeinstellmenge (eine Druckminderungsmenge) des stromaufwärtigen Gasruckes des Injektors 35 zu ändern, um mit einem benötigen Druck in einem vorher festgelegten Druckbereich basierend auf dem Gasbedürfnis übereinzustimmen.
  • Es sollte erkannt werden, dass in dem wie in 1 gezeigten vorliegenden Ausführungsbeispiel der Injektor 35 an der stromaufwärtigen Seite eines Verbindungssteils A1 zwischen dem Wasserstoffzufuhrkanal 31 und dem Umlaufkanal 32 angeordnet ist. In einem Fall, in dem eine Vielzahl von Wasserstofftanks 30 als Brennstoffzufuhrquellen wie mit der unterbrochenen Linie in der 1 gezeigt, eingesetzt werden, ist der Injektor 35 an der stromabwärtigen Seite eines Teils (einem Wasserstoffgasverbindungsteil A2) angeordnet, an dem das von den Wasserstofftanks 30 zugeführte Wasserstoffgas miteinander verbunden wird.
  • Der Unlaufkanal 32 ist mit über einen Gas-Flüssigkeitsseparator 36 und ein Abgasauslassventil 37 einem Auslasskanal 38 verbunden. Der Gas-Flüssigkeitsseparator 36 sammelt einen Wassergehalt von dem Wasserstoffabgas. Das Abgasauslassventil 37 arbeitet basierend auf einem Befehl von der Steuervorrichtung 4, um den Wassergehalt, der durch den Gas-Flüssigkeitsseparator 36 gesammelt wird, und das Wasserstoffabgas (ein Brennstoffabgas), welches Unreinheiten vom Umlaufkanal 32 enthält, abzulassen (zu reinigen). Der Umlaufkanal 32 ist auch mit einer Wasserstoffpumpe 39 versehen, die das Wasserstoffabgas in dem Umlaufkanal verdichtet, um das Gas in Richtung des Wasserstoffzufuhrkanals 31 zu führen. Es sollte erkannt werden, dass das Wasserstoffabgas, welches über das Abgasauslassventil 37 und den Auslasskanal 38 ausgelassen wird, mittels einer Verdünnungseinheit 40 verdünnt wird, um sich mit dem Oxidationsabgas in dem Abgaskanal 23 zu vermischen. Der Umlaufkanal 32 ist ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffauslasskanals in der vorliegenden Erfindung, und das Abgasauslassventil 37 ist ein Ausführungsbeispiel eines Auslassventils in der vorliegenden Erfindung.
  • Die Steuervorrichtung 4 erfasst eine Betriebsmenge eines Betriebselements (ein Beschleuniger oder ähnliches) für die Beschleunigung, welches an dem Brennstoffzellenfahrzeug S vorgesehen ist, und erhält Steuerinformationen, wie beispielsweise einen zur Beschleunigung benötigten Wert (z. B. eine benötigte Leistungserzeugungsmenge von einer Lastvorrichtung wie beispielsweise einem Antriebsmotor 12), um den Betrieb verschiedener Vorrichtungen in dem System zu steuern. Es sollte erkannt werden, dass die Lastvorrichtung zusätzlich zu dem Antriebsmotor 12 eine generische Leistungsverbrauchsvorrichtung wie beispielsweise einen Hilfsmotor (zum Beispiel ein Motor des Kompressors 24, die Wasserstoffpumpe 39 oder eine Kühlpumpe), die für den Betrieb der Brennstoffzelle 10 notwendig ist, einen Aktuator zum Einsatz in jeder Vorrichtung (ein Wechselgetriebe, eine Radsteuervorrichtung, eine Steuervorrichtung, eine Verzögerungsvorrichtung oder ähnliches), welche mit dem Betrieb des Brennstoffzellenfahrzeugs S zusammenhängt, eine Klimavorrichtung (ein Airconditioner) des Fahrgastraums, ein Licht oder ein Audiosystem enthält.
  • Die Steuervorrichtung 4 ist aus einem Computersystem (nicht dargestellt) gebildet. Solch ein Computersystem enthält eine CPU, ein ROM, ein RAM, ein HDD, ein Eingabe/Ausgabe-Interface, ein Display und ähnliches. Die CPU liest jedes Steuerprogramm aus, das in dem ROM aufgezeichnet ist, und führt es aus, um jede Steueroperation zu realisieren.
  • Wie besonders in 2 gezeigt, berechnet die Steuervorrichtung 4 ein Fließrate (hiernach als der „Wasserstoffverbrauch" bezeichnet) des Wasserstoffgases, welches durch die Brennstoffzelle 10 basierend auf einem Betriebsstadium (einem Stromwert während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 10, welcher durch den Stromsensor 13 erfasst wird) der Brennstoffzelle 10 (eine Brennstoffverbrauchs-Berechnungsfunktion: B1) verbraucht wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Wasserstoffverbrauch für jede Berechnungsperiode der Steuervorrichtung 4 berechnet und aktualisiert, indem eine spezifische Berechnungsgleichung verwendet wird, die eine Relation zwischen dem Leistungserzeugungs-Stromwert und dem Wasserstoffverbrauch der Brennstoffzelle 10 anzeigt.
  • Ferner berechnet die Steuervorrichtung 4 einen Zieldruckwert des Wasserstoffgases, welches der Brennstoffzelle 10 zugeführt werden soll, in einer stromabwärtigen Position des Injektors 35 basierend auf dem Betriebsstadium (der Leistungserzeugungs-Stromwert während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 10, welcher durch den Stromsensor 13 erfasst wird) der Brennstoffzelle 10 (eine Zieldruckwert-Berechnungsfunktion: B2). In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Zieldruckwert für jede Berechnungsperiode der Steuervorrichtung 4 berechnet und aktualisiert, indem ein spezifischer Plan eingesetzt wird, der eine Relation zwischen dem Leistungserzeugungs-Stromwert und dem Zieldruckwert der Brennstoffzelle 10 anzeigt.
  • Ferner berechnet die Steuervorrichtung 4 eine Differenz zwischen dem berechneten Zieldruckwert und einem Druckwert (einem erfassten Druckwert), welcher durch den sekundären Drucksenor 43 in der stromabwärtigen Position des Injektors 35 erfasst wird, und urteilt, ob oder ob nicht ein absoluter Wert dieser Differenz ein vorher festgelegter Grenzwert oder weniger ist (eine Differenzbeurteilungsfunktion: B3). In einem Fall, in dem der absolute Wert der Differenz der vorher festgelegte Grenzwert ist oder weniger, berechnet die Steuervorrichtung 4 dann eine Feedback-Korrekturfließrate, um diese Differenz zu vermindern (eine Feedback-Korrekturfließraten-Berechnungsfunktion: B4). Die Feedback-Korrekturfließrate ist eine Wasserstoffgasfließrate, die zu dem Wasserstoffverbrauch addiert werden soll, um den absoluten Wert der Differenz zwischen dem Zieldruckwert und dem erfassten Druckwert zu vermindern. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Feedback-Korrekturfließrate mittels einer zielfolgenden Steuerregel der PI-Steuerung oder ähnlichem berechnet.
  • Zusätzlich steuert die Steuervorrichtung 4 eine stromaufwärtige statische Fließrate des Injektors 35 basierend auf einem stromaufwärtigen Gasstadium des Injektors 35 (ein Druck des Wasserstoffgases, welcher durch den primären Drucksensor 41 erfasst wird, und die Temperatur des Wasserstoffgases, welche durch den Temperatursensor 42 erfasst wird) (eine statische Fließraten-Berechnungsfunktion: B5). In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die statische Fließrate für jede Berechnungsperiode der Steuervorrichtung 4 berechnet und aktualisiert, indem eine spezifische Berechnungsgleichung verwendet wird, die eine Relation zwischen dem Druck und der Temperatur des Wasserstoffgases an der stromaufwärtigen Seite des Injektors 35 und der statischen Fließrate anzeigt.
  • Ferner berechnet die Steuervorrichtung 4 eine ungültige Einspritzzeit des Injektors 35 basierend auf einem stromaufwärtigen Gasstadium des Injektors 35 (der Druck und die Temperatur des Wasserstoffgases) und einer aufgebrachten Spannung (eine ungültige Einspritzzeit-Berechnungsfunktion: B6). Hier ist die ungültige Einspritzzeit eine Zeit, die von einem Zeitpunkt, in dem der Injektor 35 das Steuersignal von der Steuervorrichtung 4 erhält, bis zu einer Zeit, zu der das Einspritzen tatsächlich gestartet wird, benötigt wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die ungültige Einspritzzeit für jeder Berechnungsperiode der Steuervorrichtung 4 berechnet und aktualisiert, indem ein spezifischer Plan eingesetzt wird, der eine Relation zwischen dem Druck und der Temperatur des Wasserstoffgases an der stromaufwärtigen Seite des Injektors 35, die aufgebrachte Spannung und die ungültige Einspritzzeit anzeigt.
  • Ferner berechnet die Steuervorrichtung 4 einen Antriebszyklus und eine Antriebsfrequenz des Injektors 35 gemäß einem Betriebsstadium der Brennstoffzelle 10 (der Stromwert während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 10, welche durch den Stromsensor 13 erfasst wird) (eine Antriebszyklus-Berechnungsfunktion: B7). Hier ist der Antriebszyklus der Zyklus des Öffnungs/Schließungs-Antriebs des Injektors 35, das bedeutet eine Periode einer gestuften (Ein/Aus) Wellenform, welche die Öffnungs/Schließstadien der Einspritzöffnung anzeigt. Die Antriebsfrequenz ist eine inverse Anzahl des Antriebszyklus.
  • Die Steuervorrichtung 4 des vorliegenden Ausführungsbeispiels berechnet die Antriebsfrequenz durch Einsatz eines Plans, der den Leistungserzeugungs-Stromwert und die Antriebsfrequenz der Brennstoffzelle 10 wie in der 3A gezeigt anzeigt, so dass die Antriebsfrequenz absinkt (der Antriebszyklus verlängert sich), wenn der Leistungserzeugungsstromwert der Brennstoffzelle 10 sinkt. Die Steuervorrichtung berechnet auch den Antriebszyklus, welcher dieser Antriebsfrequenz entspricht. Wenn beispielsweise der Leistungserzeugungs-Stromwert der Brennstoffzelle 10 groß ist, ist eine hohe Antriebsfrequenz (ein kurzer Antriebszyklus T1) eingestellt, wie in der 4A gezeigt. Andererseits wenn der Leistungserzeugungs-Stromwert der Brennstoffzelle 10 klein ist, ist eine niedrige Antriebsfrequenz (ein langer Antriebszyklus T2) eingestellt, wie in 4B gezeigt.
  • Ferner steuert die Steuervorrichtung 4 des vorliegenden Ausführungsbeispiels einen Öffnungs/Schließbetrieb des Abgasauslassventils 37, um einen Reinigungsbetrieb durchzuführen (ein Arbeitsschritt, um das Wasserstoffabgas aus dem Umlaufkanal 32 über das Abgasauslassventil 37 abzugeben). Während er Durchführung solch eines Reinigungsbetriebs stellt die Steuervorrichtung 4 die Antriebsfrequenz des Injektors 35 dann auf eine höhere Frequenz (ein kurzer Antriebszyklus) als während der Durchführung ohne Reinigungsbetrieb durch Verwendung eines Plans wie in der 3B gezeigt. Wie besonders in der 3B gezeigt, stellt die Steuervorrichtung 4 eine Minimalantriebsfrequenz F2 während der Durchführung eines Reinigungsbetriebs ein, die bemerkenswert höher sein soll als eine minimale Antriebsfrequenz F1 zu einer herkömmlichen Zeit (während der Durchführung ohne Reinigungsbetrieb). Die Steuervorrichtung 4 stellt einen Antriebszyklus auf einer Vielzahl der Berechnungsperiode ein.
  • Ferner addiert die Steuervorrichtung 4 den Wasserstoffverbrauch und die Feedback-Korrekturfließrate auf, um eine Einspritzfließrate des Injektors 35 zu berechnen (eine Einspritzfließraten-Berechnungsfunktion: B8). Dann multipliziert die Steuervorrichtung 4 den Antriebszyklus mit einem Wert, der erhalten wird, indem die Einspritzfließrate des Injektors 35 durch die statische Fließrate dividiert wird, um eine Basiseinspritzzeit des Injektors 35 zu berechnen, und die Vorrichtung addiert diese Basiseinspritzzeit und die ungültige Einspritzzeit auf, um eine Gesamteinspritzzeit des Injektors 35 zu berechnen (eine Gesamteinspritzzeit-Berechnungsfunktion: B9).
  • Dann gibt die Steuervorrichtung 4 ein Steuersignal aus, um die Gesamteinspritzzeit des Injektors 35 zu realisieren, welche durch das oben genannte Verfahren berechnet wurde, und steuert die Gaseinspritzzeit und die Gaseinspritzzeitintervall des Injektors 35, um die Fließrate und den Druck des Wasserstoffgases einzustellen, welches der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird. Das bedeutet, dass wenn der absolute Wert der Differenz gleich oder weniger ist als der vorher festgelegte Grenzwert, die Steuervorrichtung 4 eine Feedback-Steuerung durchführt, um diese Differenz zu verringern.
  • Wenn der Absolutwert der Differenz zwischen dem Zieldruckwert und dem erfassten Druckwert diesen vorher festgelegten Grenzwert überschreitet, realisiert die Steuervorrichtung 4 ferner die vollständige Öffnungssteuerung oder die vollständige Schließsteuerung für den Injektor 35. Hier wird die vollständige Öffnungs- oder Schließungssteuerung eine offene Schleifensteuerung genannt, um einen Öffnungsgrad des Injektors 35 auf einen vollständig geöffneten oder geschlossenen Grad beizubehalten, bis der Absolutwert der Differenz zwischen dem Zieldruckwert und dem erfassten Druckwert gleich oder weniger als der vorher festgelegte Grenzwert wird.
  • Besonders wenn der Absolutwert der Differenz den vorher festgelegten Grenzwert überschreitet und der erfasste Druckwert kleiner ist als der Zieldruckwert, gibt die Steuervorrichtung 4 ein Steuersignal aus, um den Injektor 35 vollständig zu öffnen (zum Beispiel für ein kontinuierliches Einspritzen), um die Fließrate und den Druck des Wasserstoffgases, welches der Brennstoffzelle 109 zugeführt werden soll, zu maximieren (eine Vollständige-Öffnungssteuerfunktion: B10). Wenn andererseits der absolute Wert der Differenz den vorher festgelegten Grenzwert überschreitet und der erfasste Druckwert größer ist als der Zieldruckwert, gibt die Steuervorrichtung 4 ein Steuersignal aus, um den Injektor 35 vollständig zu schließen (zum Beispiel, um das Einspritzen zu unterbrechen), um die Fließrate und den Druck des der Brennstoffzelle 10 Wasserstoffgases zu minimieren (eine Vollständige-Schließsteuerfunktion: B11).
  • Ferner stellt die Steuervorrichtung 4 eine hohe Antriebsfrequenz ein (einen kurzen Antriebszyklus) während der vollständigen Öffnungssteuerung oder vollständigen Schließsteuerung des Injektors 35 ein. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Antriebsfrequenz in einem Fall, in dem die vollständige Öffnungssteuerung oder die vollständige Schließsteuerung durchgeführt wird, so eingestellt, dass sie die doppelte Antriebsfrequenz ist in einem Fall, in dem die Feedbacksteuerung durchgeführt wird. Das bedeutet, wenn der kürzestes Antriebszyklus zur Durchführung der Feedbacksteuerung T1 ist, wie in der 5 gezeigt, ist der kürzeste Antriebszyklus zur Durchführung der vollständigen Öffnungssteuerung oder der vollständigen Schließsteuerung auf T3 (= 0,5T1) wie in der 5 gezeigt, eingestellt. Die hohe Antriebsfrequenz (der kurze Antriebszyklus) wird während der vollständigen Öffnungssteuerung oder der vollständigen Schließsteuerung des Injektors 35 auf diese Weise eingestellt, wodurch eine Überschreitung (ein Stadium, in welchem der erfasste Druckwert als eine Steuermenge oberhalb des Zieldruckwertes ist) während der vollständigen Öffnungssteuerung oder eine Unterschreitung (ein Stadium, in welchem der erfasste Druckwert unterhalb des Zieldruckwertes ist) während der vollständigen Schließsteuerung unterdrückt werden kann.
  • Als nächstes wird ein Betriebsverfahren des Brennstoffzellensystems 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit Bezugnahme auf ein Flussdiagramm der 6 beschrieben.
  • Während eines herkömmlichen Betriebes des Brennstoffzellensystems 1 wird das Wasserstoffgas von dem Wasserstofftank 30 einem Brennstoffpol der Brennstoffzelle 10 über den Wasserstoffzufuhrkanal 31 zugeführt und befeuchtet, und eingestellte Luft wird einem Oxidationspol der Brennstoffzelle 10 über den Luftzufuhrkanal 21 zugeführt, um eine Leistung zu erzeugen. In diesem Fall wird die von der Brennstoffzelle 10 zu entnehmende Leistung (eine benötigte Leistung) durch die Steuervorrichtung 4 berechnet, und eine Menge an Wasserstoffgas und Luft, die einer Menge der zu erzeugenden Leistung entspricht, wird der Brennstoffzelle 10 zugeführt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird verhindert, dass ein unregelmäßiges Betriebsgeräusch in einem Fall erzeugt wird, in dem ein Betriebsstadium von solch einem herkömmlichen Betrieb abweicht (zum Beispiel in einem Fall, in dem die zu erzeugende Leistungsmenge verringert wird).
  • Dazu erfasst zuerst die Steuervorrichtung 4 des Brennstoffzellensystems 1 den Stromwert während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 10 durch Verwendung des Stromsensors 13 (ein Stromerfassungsschritt: S1). Die Steuervorrichtung 4 berechnet den Zieldruckwert des der Brennstoffzelle 10 zuzuführenden Wasserstoffgases basierend auf dem Stromwert, der durch den Stromsensor 13 erfasst wurde (ein Zieldruckwert-Berechnungsschritt: S2). Dann erfasst die Steuervorrichtung 4 den stromabwärtigen Druckwert des Injektors 35 durch Einsatz des Sekundärdrucksensors 43 (ein Druckwert-Erfassungsschritt: S3). Dann berechnet die Steuervorrichtung 4 eine Differenz ΔP zwischen dem Zieldruckwert, welcher in dem Zieldruckwert-Berechnungsschritt S2 berechnet wurde, und dem Druckwert (dem erfassten Druckwert), welcher in dem Druckwert-Erfassungsschritt S3 erfasst wurde (ein Differenzberechnungsschritt: S4).
  • Als nächstes beurteilt die Steuervorrichtung 4, ob oder ob nicht ein absoluter Wert der Differenz ΔP, welcher im Differenzberechnungsschritt S4 berechnet wurde, ein erster Grenzwert ΔP1 oder weniger ist (ein erster Differenzurteilsschritt: S5). Der erste Grenzwert ΔP1 ist ein Grenzwert, um die Feedbacksteuerung und die vollständige Öffnungssteuerung in einem Fall zu schalten, in dem der erfasste Druckwert kleiner ist als ein Zieldruckwert. In einem Fall, in dem geurteilt wird, dass der absolute Wert der Differenz ΔP zwischen dem Zieldruckwert und dem erfassten Druckwerte der erste Grenzwert ΔP1 oder weniger ist, schaltet die Steuervorrichtung 4 zu einem später beschriebenen zweiten Differenzurteilsschritt S7. In einem Fall, in dem beurteilt wird, dass der absolute Wert der Differenz ΔP zwischen dem Zieldruckwert und dem erfassten Druckwert den ersten Grenzwert ΔP1 überschreitet, gibt die Steuervorrichtung 4 andererseits ein Steuersignal heraus, um den Injektor 35 vollständig zu öffnen (für ein kontinuierliches Einspritzen), um die Fließrate und den Druck des der Brennstoffzelle 10 zuzuführenden Wasserstoffgases zu maximieren (ein vollständiger Öffnungs-Steuerungsschritt: S6). In solch einem vollständigen Öffnungs-Steuerungsschritt S6 stellt die Steuervorrichtung 4 eine hohe Antriebsfrequenz (einen kurzen Antriebszyklus) ein.
  • In einem Fall, in dem in dem ersten Differenzurteilsschritt S5 geurteilt wird, dass der absolute Wert der Differenz ΔP zwischen dem Zieldruckwert und dem erfassten Druckwert ein erster Grenzwert ΔP1 oder weniger ist, urteilt die Steuervorrichtung 4, ob oder ob nicht der absolute Wert der Differenz ΔP, welcher in dem Differenzberechnungsschritt S4 berechnet wird, der zweite Grenzwert ΔP2 ist oder weniger (der zweite Differenzurteilsschritt: S7). Der zweite Grenzwert ΔP2 ist ein Grenzwert, um die Feedbacksteuerung und die vollständige Schließsteuerung in einem Fall zu schalten, in dem der erfasste Druckwert größer ist als der Zieldruckwert. In einem Fall, in dem geurteilt wird, dass der absolute Wert der Differenz ΔP zwischen dem Zieldruckwert und dem erfassten Druckwert der zweite Grenzwert ΔP2 oder weniger ist, schaltet die Steuervorrichtung 4 in einen später beschriebenen Reinigungsurteilsschritt S9. In einem Fall, in dem beurteilt wird, dass der absolute Wert der Differenz ΔP zwischen dem Zieldruckwert und dem erfassten Druckwert den zweiten Grenzwert ΔP2 überschreitet, gibt die Steuervorrichtung 4 andererseits ein Steuersignal heraus, um den Injektor 35 vollständig zu schließen (um die Einspritzung zu unterbrechen), um die Fließrate und den Druck des der Brennstoffzelle 10 zuzuführenden Wasserstoffgases zu minimieren (ein vollständiger Schließsteuerungsschritt: S8). In solch einem vollständigen Schließsteuerungsschritt S8 stellt die Steuervorrichtung 4 eine hohe Antriebsfrequenz (einen kurzen Antriebszyklus) ein.
  • In einem Fall, in dem in dem zweiten Differenzurteilungsschritt S7 geurteilt, wird, dass der absolute Wert der Differenz ΔP zwischen dem Zieldruckwert und dem erfassten Druckwert der zweite Grenzwert ΔP2 oder weniger ist, urteilt die Steuervorrichtung 4, ob oder ob nicht der Reinigungsbetrieb durchgeführt wurde (der Reinigungsurteilsschritt: S9). In einem Fall, in dem beurteilt wird, dass der Reinigungsbetrieb durchgeführt wurde, berechnet die Steuervorrichtung 4 dann die Antriebsfrequenz und den Antriebszyklus des Injektors 35 basierend auf dem Plan zur Durchführung des Reinigungsbetriebs wie in 3B gezeigt und den Leistungserzeugungs-Stromwert der Brennstoffzelle 10, welche in dem Stromerfassungsschritt S1 erfasst wird (eine Reinigungszeit-Antriebszyklusberechnungsschritt: S10). In einem Fall, in dem geurteilt wird, dass der Reinigungsbetrieb nicht durchgeführt wurde, berechnet die Steuervorrichtung 4 andererseits die Antriebsfrequenz und den Antriebszyklus des Injektors 35 basierend auf dem Plan für die herkömmliche Zeit wie in der 3A gezeigt und den Leistungserzeugungstromwert der Brennstoffzelle 10, welcher in dem Stromdetketionsschritt S1 erfasst wurde (eine herkömmliche Zeit Antriebszyklus-Berechnungsschritt: S11). Danach realisiert die Steuervorrichtung 4 die Feedbacksteuerung durch Verwendung des berechneten Antriebszyklus (ein Feedbacksteuerschritt: S12).
  • Der Feedbacksteuerschritt S12 wird speziell beschrieben werden. Zuerst berechnet die Steuervorrichtung 4 die Fließrate des durch die Brennstoffzelle 10 zu verbrauchenden Wasserstoffgases (den Wasserstoffverbrauch) basierend auf dem Stromwert, der durch den Stromsensor 13 erfasst wird. Ferner berechnet die Steuervorrichtung 4 die Feedbackkorrekturfließrate basierend auf der Differenz ΔP zwischen dem Zieldruckwert, welcher in dem Zieldruckwert-Berechnungsschritt S2 berechnet wird, und dem erfassten stromabwärtigen Druckwert des Injektors 35, welcher in dem Druckwerterfassungsschritt S3 erfasst wird. Dann addiert die Steuervorrichtung 4 den berechneten Wasserstoffverbrauch und die Feedbackkorrekturfließrate auf, um die Einspritzfließrate des Injektors 35 zu berechnen.
  • Ferner berechnet die Steuervorrichtung 4 eine stromaufwärtige statische Fließrate des Injektors 35 basierend auf dem stromaufwärtigen Druck des Wasserstoffgases des Injektors 35, welcher durch den Primärdrucksensor 41 erfasst wird, und die Temperatur des Wasserstoffgases an der stromaufwärtigen Seite des Injektors 35, welche durch den Temperatursensor 42 erfasst wird. Dann multipliziert die Steuervorrichtung 4 den Antriebszyklus mit dem Wert, der durch Dividieren der Einspritzfließrate des Injektors 35 durch die statische Fließrate erhalten wird, um die Basiseinspritzzeit des Injektors 35 zu berechnen.
  • Ferner berechnet die Steuervorrichtung 4 die ungültige Einspritzzeit des Injektors 35 basierend auf dem stromaufwärtigen Wasserstoffgasdruck des Injektors 35, welcher durch den primären Drucksensor 41 erfasst wird, die stromaufwärtige Wasserstoffgastemperatur des Injektors 35, welcher durch den Temperatursensor 42 erfasst wird, und die aufgebrachte Spannung. Dann addiert die Steuervorrichtung 4 diese ungültige Einspritzzeit und die Basiseinspritzzeit des Injektors 35 auf, um die vollständige Einspritzzeit des Injektors 35 zu berechnen. Danach gibt die Steuervorrichtung 4 ein Steuersignal bezüglich der Gesamteinspritzzeit des Injektors 35 aus, um die Gaseinspritzzeit und das Gaseinspritzzeitintervall des Injektors 35 zu steuern, wobei die Fließrate und der Druck des der Brennstoffzelle 10 zuzuführenden Wasserstoffgases eingestellt werden.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem 1 des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels kann, wenn der Leistungserzeugungsstromwert der Brennstoffzelle 10 klein ist, die niedrige Antriebsfrequenz (der lange Antriebszyklus) eingestellt werden. Daher wird der unregelmäßige Betrieb des Injektors 35 während der Absenkung der Menge der durch die Brennstoffzelle 10 zu erzeugenden Leistung verhindert, wodurch die Erzeugung des unerwünschten Betriebsgeräusches unterdrückt werden kann.
  • Ferner kann gemäß dem Brennstoffzellensystem 1 des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels die hohe Antriebsfrequenz (der kurze Antriebszyklus) so eingestellt werden, wenn die Öffnung/Schließbetätigung des Gasauslassventils 37 gesteuert wird um den Reinigungsbetrieb durchzuführen. Daher kann verhindert werden, dass sich der Zufuhrdruck des Wasserstoffgases während der Durchführung des Reinigungsbetriebs zeitweise absinkt. Als ein Ergebnis kann ein Absenken der Leistungserzeugung während des Reiniges verhindert werden.
  • Ferner kann in dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel die hohe Antriebsfrequenz (sehr kurzer Antriebszyklus) während der vollständigen Öffnungssteuerung oder bei der vollständigen Schließsteuerung des Injektors 35 eingestellt werden. Dafür kann die Überschreitung während der vollständigen Öffnungssteuerung des Injektors 35 und die Unterschreitung während der vollständigen Schließsteuerung des Injektors 35 unterdrückt werden und die Steuerpräzision während der vollständigen Öffnungs- oder Schließsteuerung des Injektors 35 kann verbessert werden.
  • Zusätzlich wird gemäß dem Brennstoffzellensystem 1 des oben genannten Ausführungsbeispiels der Antriebszyklus auf die Vielzahl der in der Berechnungsperiode der Steuervorrichtung 4 eingestellt werden, so dass der Antriebszyklus des Injektors 35 mit der Berechnungsperiode der Steuervorrichtung 4 synchronisiert werden kann. Als ein Ergebnis kann die Steuerpräzision des Injektors 35 verbessert werden.
  • Ferner enthält das Brennstoffzellenfahrzeug S (ein mobiler Gegenstand) gemäß dem oben genannten Ausführungsbeispiel das Brennstoffzellensystem 1, welches geeignet ist, den unregelmäßigen Betrieb des Injektors 35 zu verhindern, um die Erzeugung des ungewünschten Betriebsgeräusches zu unterdrücken, so dass Unannehmlichkeiten kaum an den Passagier weitergegeben werden. Das Betriebsgeräusch ist stabilisiert, wodurch der Passagier mit einem Gefühl der Sicherheit versehen werden kann.
  • Es sollte erkannt werden, dass in dem oben genannten Ausführungsbeispiel ein Beispiel beschrieben wurde, in welchem das Wasserstoffgasrohrsystem 3 des Brennstoffzellensystems 1 mit dem Umlaufkanal 32 versehen ist. Jedoch kann beispielsweise wie in der 7 gezeigt, ein Auslasskanal 38 direkt mit einer Brennstoffzelle verbunden sein, um einen Umlaufkanal 32 weglassen zu können. Selbst in einem Fall, in dem solch ein Aufbau (ein Dead-End-System) eingesetzt wird, stellt eine Steuervorrichtung 4 eine Antriebsfrequenz (ein Antriebszyklus) eines Injektors 35 in Übereinstimmung mit einem Betriebsstadium auf gleiche Weise ein wie in dem oben genannten Ausführungsbeispiel, wobei eine zu dem oben genannten Ausführungsbeispiel ähnliche Funktion und Wirkung erhalten werden kann.
  • Ferner ist in dem oben genannten Ausführungsbeispiel ein Beispiel beschrieben, in welchem der Umlaufkanal 32 mit der Wasserstoffpumpe 39 versehen ist. Jedoch kann auch ein Ejektor anstelle der Wasserstoffpumpe 39 eingesetzt werden. In dem oben genannten Ausführungsbeispiel wurde ein Beispiel beschrieben, in welchem das Abgasauslassventil 37 in dem Umlaufkanal 32 vorgesehen ist, um sowohl den Gasauslass als auch Wasserablaß zu realisieren. Jedoch kann ein Auslassventil, um den Wassergehalt nach außen abzuführen, welcher durch den Gasflüssigkeitsseparator 36 und ein Auslassventil, um ein Gas aus dem Umlaufkanal 32 abzuführen, kann separat vorgesehen sein, wobei die Steuervorrichtung 4 das Auslassventil steuern kann.
  • Ferner wurde in dem oben genannten Ausführungsbeispiel ein Beispiel beschrieben, in welchem ein sekundärer Drucksensor 43 in der stromabwärtigen Position des Injektors 35 des Wasserstoffzufuhrkanals 31 des Wasserstoffgasrohrsystems 3 angeordnet, um das Betriebsstadium (die Einspritzzeit) des Injektors 35 einzustellen, so dass der Druck in dieser Position eingestellt ist (nahe zu dem vorher festgelegten Zieldruckwert gebracht ist). Jedoch ist die Position des sekundären Drucksensors nicht auf dieses Beispiel beschränkt.
  • Beispielsweise kann der sekundäre Drucksensor in einer Position nahe dem Wasserstoffgaseinlass der Brennstoffzelle 10 angeordnet sein (an dem Wasserstoffzufuhrkanal 31), eine Position nahe des Wasserstoffgasauslasses der Brennstoffzelle 10) an dem Umlaufkanal 32 oder eine Position nahe dem Auslass der Wasserstoffpumpe 39 (an dem Umlaufkanal 32). In solch einem Fall ist im voraus ein Plan vorbereitet, in welchem der Zieldruckwert in jeder Position des sekundären Drucksensors aufgezeichnet ist, und die Feedbackkorrekturfließrate wird basierend auf dem Zieldruckwert, welcher in diesem Plan aufgezeichnet ist, und dem Druckwert (dem erfassten Druckwert), welcher durch den sekundären Drucksensor erfasst wird, berechnet.
  • Ferner wurde in dem oben genannten Ausführungsbeispiel ein Beispiel beschrieben, in welchem der Wasserstoffzufuhrkanal 31 mit dem Schaltventil 33 und den Regulatoren 34 versehen ist. Jedoch führt der Injektor 35 eine Funktion eines variablen Druckeinstellventils und eine Funktion eines Schaltventils aus, um die Zufuhr des Wasserstoffgases zu notieren. Daher müssen das Schaltventil 33 und die Regulatoren 34 nicht vorgesehen sein. Wenn der Injektor 35 eingesetzt wird, können folglich das Schaltventil 33 und die Regulatoren 34 weggelassen werden, so dass das System verkleinert und preiswert aufgebaut werden kann.
  • Ferner ist in dem oben genannten Ausführungsbeispiel ein Beispiel beschrieben worden, in welchen die Antriebsfrequenz (der Antriebszyklus) des Injektors 35 basierend auf dem Stromwert der Brennstoffzelle 10 während der Leistungserzeugung eingestellt wurde. Jedoch kann die Antriebsfrequenz (der Antriebszyklus) des Injektors 35 basierend auf dem Zieldruckwert und dem erfassten Druckwert des Wasserstoffgases eingestellt werden. In diesem Fall wird die Antriebsfrequenz durch Einsatz des Plans berechnet, welcher die Relation zwischen dem Zieldruckwert (oder dem erfassten Druckwert) und der Antriebsfrequenz anzeigt, dass die Antriebsfrequenz (die Antriebszykluslänge) sinkt, wenn der Zieldruckwert (oder der erfasste Druckwert) sinkt, wobei der Antriebszyklus entsprechend dieser Antriebsfrequenz berechnet werden kann. Dadurch kann der unregelmäßige Betrieb des Injektors während des Absenkens des Zufuhrdrucks des Wasserstoffgases verhindert werden, um die Erzeugung des ungewünschten Betriebsgeräusches zu unterdrücken.
  • Ferner wurde in dem oben genannten Ausführungsbeispiel ein Beispiel beschrieben, in welchem der Stromwert während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 10 erfasst wird, um die Antriebsfrequenz (den Antriebszyklus) des Injektors 35 basierend auf diesen Stromwert einzustellen. Jedoch kann eine andere physikalische Größe (ein Spannungswert oder ein Leistungswert während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 10, eine Temperatur der Brennstoffzelle 10 oder ähnliches) erfasst werden, welcher das Betriebsstadium der Brennstoffzelle 10 anzeigt, um die Antriebsfrequenz (den Antriebszyklus) des Injektors 35 in Übereinstimmung mit diesem erfassten physikalischen Wert einzustellen. Ferner kann die Steuervorrichtung das Betriebsstadium beurteilen, wie beispielsweise ob oder ob nicht die Brennstoffzelle 10 in einem unterbrochenen Stadium ist, in einem betriebenen Stadium während des Starts, in einem betriebenen Stadium unmittelbar vor dem Eintritt eines unterbrochenen Betriebs, ein betriebenes Stadium unmittelbar nach Erholung von dem unterbrochenen Betrieb, oder einem herkömmlich betriebenen Stadium, um die Antriebsfrequenz (den Antriebszyklus) des Injektors 35 in Übereinstimmung mit solch einem Betriebsstadium einzustellen.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Wie in dem oben genannten Ausführungsbeispiel beschrieben kann ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur 0auf ein Brennstoffzellenfahrzeug sondern jeder Art von mobilem Gegenstand anders als ein Brennstoffzellenfahrzeug (ein Roboter, ein Schiff, ein Flugzeug oder ähnliches) montiert werden. Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung kann bei einem stationären Leistungserzeugungssystem eingesetzt werden, um als eine Leistungserzeugungsausrüstung für einen Aufbau (ein Haus, ein Gebäude oder ähnliches) eingesetzt zu werden.
  • Zusammenfassung
  • Brennstoffzellensystem und beweglicher Gegenstand
  • Ein Brennstoffzellensystem ist offenbart, welches eine Brennstoffzelle, ein Brennstoffzufuhrsystem zur Zuführung eines Brennstoffgases zu der Brennstoffzelle, einen Injektor, welcher ein Gasstadium an einer stromaufwärtigen Seite des Brennstoffzufuhrsystems einstellt, um das Gas zu einer stromabwärtigen Seite zu führen, und eine Steuereinheit umfaßt, welche den Injektor in einem vorher festgelegten Antriebszyklus antreibt und steuert. Die Steuereinheit stellt den Antriebszyklus des Injektors in Übereinstimmung mit einem Betriebsstadium der Brennstoffzelle ein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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Claims (7)

  1. Ein Brennstoffzellensystem mit: einer Brennstoffzelle; einem Brennstoffzufuhrsystem, um ein Brennstoffgas dieser Zelle zuzuführen; einem Injektor, welcher ein Gasstadium an einer stromaufwärtigen Seite dieses Brennstoffzufuhrsystems einstellt, um das Gas einer stromabwärtigen Seite zuzuführen; und ein Steuermittel, um diesen Injektor in einem vorher festgelegten Antriebszyklus anzutreiben und zu steuern, wobei das Steuermittel den Antriebszyklus in Übereinstimmung mit einem Betriebsstadium der Brennstoffzelle einstellt.
  2. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Steuermittel den Antriebszyklus einstellt, lang zu sein, wenn eine durch die Brennstoffzelle erzeugte Leistungsmenge klein ist.
  3. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Steuermittel den Antriebszyklus einstellt, lang zu sein, wenn ein Druck des der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffgases niedrig ist.
  4. Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Brennstoffzufuhrsystem einen Brennstoffzufuhrkanal hat, um das Brennstoffgas, welches von dem Brennstoffzufuhrsystem zugeführt wird, der Brennstoffzelle zuzuführen, einen Brennstoffauslasskanal, um ein Brennstoffabgas abzuführen, welches von der Brennstoffzelle kommt, und einem Auslassventil, um das Gas aus dem Brennstoffauslasskanal abzuführen, und das Steuermittel eine Öffnungs-/Schließbetätigung des Auslasskanals steuert, um einen Reinigungsbetrieb des Brennstoffabgases durchzuführen, und den Antriebszyklus während der Durchführung des Reinigungsbetriebs auf eine kürzere Zeit ein stellt, als während der Durchführung ohne Reinigungsbetrieb.
  5. Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Steuermittel eine Berechnung in einer vorher festgelegten Berechnungsperiode durchführt und den Antriebszyklus auf eine Vielzahl der Berechnungsperiode einstellt.
  6. Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Steuermittel den Antriebszyklus während der vollständigen Öffnungssteuerung oder der vollständigen Schließsteuerung des Injektors auf eine kürzere Zeit einstellt als während nicht vollständiger Öffnungssteuerung oder nicht vollständiger Schließsteuerung.
  7. Ein beweglicher Gegenstand, welcher das Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 enthält.
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