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Gebiet der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Diagnoseverfahren für ein Auf/Zu-Ventil.
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Stand der Technik
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Ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle aufweist, die die Zufuhr eines Reaktionsgases (eines Brenngases und eines Oxidierungsgases) empfängt, um Leistung zu erzeugen, wurde vorgeschlagen und wird in der Praxis verwendet. Ein solches Brennstoffzellensystem ist mit einem Brennstoffzufuhr-Strömungsweg ausgestattet, damit das Brenngas, das von einer Brennstoffquelle, wie einem Wasserstofftank, geliefert wird, zur Brennstoffzelle strömen kann, und der Brennstoffzufuhr-Strömungsweg ist im Allgemeinen mit einem Druckanpassungsventil (einem Regler) ausgestattet, das (bzw. der) den Zufuhrdruck des Brenngases von der Brennstoffquelle auf einen vorgegebenen Wert senkt. Es wurde eine Technik vorgeschlagen, bei der ein mechanisch variierbares Druckanpassungsventil (ein variabler Regler), mit dem der Zufuhrdruck des Brenngases beispielsweise in zwei Schritten geändert wird, im Brennstoffzufuhr-Strömungsweg vorgesehen ist, um den Zufuhrdruck des Brenngases entsprechend dem Betriebszustand des Systems zu ändern.
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Darüber hinaus wurde in den letzten Jahren eine Technik vorgeschlagen, bei der ein Injektor im Brennstoffzufuhr-Strömungsweg des Brennstoffzellensystems angeordnet ist und der Betriebszustand dieses Injektors gesteuert wird, um den Zufuhrdruck des Brenngases im Brennstoffzufuhr-Strömungsweg zu regeln. Der Injektor ist ein Auf/Zu-Ventil, das als elektromagnetisch angetriebenes Ventil ausgebildet ist, in dem ein Ventilkörper über einen vorgegebenen Antriebszyklus direkt mit einer elektromagnetischen Antriebskraft angetrieben und von einem Ventilsitz gelöst werden kann, um den Zustand des Gases (eine Gasströmungsrate oder einen Gasdruck) zu regeln. Eine Steuereinrichtung steuert den Ventilkörper des Injektors an, um einen Zeitpunkt oder eine Dauer für das Ausstrahlen des Brenngases zu steuern, wodurch die Strömungsrate oder der Druck des Brenngases gesteuert werden kann. In den letzten Jahren wurde eine Technik vorgeschlagen, um ein Problem (ein Schließversagen, wie ein Festhängen des Ventils) eines elektromagnetisch angetriebenen Auf/Zu-Ventils, wie eines solchen Injektors, zu erfassen (siehe die
japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2005-302563 ).
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Offenbarung der Erfindung
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Um zu bestimmen, ob ein elektromagnetisch angetriebenes Auf/Zu-Ventil, wie ein Injektor, beim Starten eines Systems ein Schließversagen zeigt, wird bisher das Auf/Zu-Ventil mit Energie versorgt, um das Schließversagen des Auf/Zu-Ventils zu einer Zeit zu bestimmen, wenn diese Energieversorgungszeit über eine bestimmte Bezugszeit gedauert hat. Bei einer solchen herkömmlichen Schließversagens-Bestimmungstechnik wird als vorgegebene Bezugszeit die Energieversorgungszeit (eine Stromeingabezeit) verwendet, bis ein Strom erhalten wird, der notwendig ist, um das Auf/Zu-Ventil zu öffnen.
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Während das System angehalten ist, steigt jedoch manchmal der Druckwert (ein Primärdruck) des Brenngases stromaufwärts vom Auf/Zu-Ventil über einen angenommenen Wert hinaus, wenn von einem Sperrventil oder einem Regler, das bzw. der stromaufwärts vom Auf/Zu-Ventil angeordnet ist, ein Austreten von Gas, eine Übertragung von Gas oder dergleichen verursacht wird. Bei der oben genannten herkömmlichen Schließversagens-Bestimmungstechnik wird auch in einer Situation, wo das Auf/Zu-Ventil sich aufgrund eines solchen Primärdruckanstiegs nicht leicht öffnet, die Bestimmung des Schließversagens unverändert durchgeführt, nachdem eine vorgegebene Stromeingabezeit vergangen ist, so dass manchmal fälschlich bestimmt wird, dass ein Schließversagen verursacht wurde, obwohl das Schließversagen im Auf/Zu-Ventil eigentlich nicht verursacht wurde, so dass es in einen Zustand fällt, wo das System nicht starten kann.
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Die vorliegende Erfindung wurde angesichts dieser Sachlage entwickelt, und ihre Aufgabe ist es, die Schließversagens-Bestimmung eines Auf/Zu-Ventils korrekt zu verwirklichen, auch wenn der Druckwert (der Primärdruck) des Brenngases stromaufwärts vom Auf/Zu-Ventil in einem Brennstoffzellensystem, welches das Auf/Zu-Ventil aufweist, steigt.
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Um die genannte Aufgabe zu lösen, ist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das aufweist: eine Brennstoffzelle; einen Brennstoffzufuhr-Strömungsweg, der den Strom eines Brenngases, das von einer Brennstoffzufurquelle geliefert wird, zur Brennstoffzelle ermöglicht; ein Auf/Zu-Ventil, das den Zustand des Gases auf der stromaufwärtigen Seite dieses Brennstoffzufuhr-Strömungswegs regelt, um das Gas zur stromabwärtigen Seite zu liefern; ein Versagenserfassungsmittel, um zu erfassen, ob dieses Auf/Zu-Ventil ein Schließversagen zeigt; einen Drucksensor, der den Druckwert des Brenngases stromaufwärts vom Auf/Zu-Ventil erfasst; und ein Bestimmungsbedingungs-Festsetzungsmittel, um auf der Basis des von diesem Drucksensor erfassten Druckwerts die Schließversagens-Bestimmungsbedingungen für das Auf/Zu-Ventil festzusetzen, wobei das Versagenserfassungsmittel auf der Basis der Schließversagens-Bestimmungsbedingungen, die vom Bestimmungsbedingungs-Festsetzungsmittel festgesetzt werden, bestimmt, ob das Auf/Zu-Ventil ein Schließversagen zeigt.
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Darüber hinaus ist ein Diagnoseverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren für die Diagnose eines Auf/Zu-Ventils eines Brennstoffzellensystems, das aufweist: eine Brennstoffzelle, einen Brennstoffzufuhr-Strömungsweg, der den Strom eines Brenngases, das von einer Brennstoffzufuhrquelle geliefert wird, zur Brennstoffzelle ermöglicht, und ein Auf/Zu-Ventil, das den Zustand des Gases auf der stromaufwärtigen Seite dieses Brennstoffzufuhr-Strömungswegs regelt, um das Gas zur stromabwärtigen Seite zu liefern, wobei das Verfahren umfasst: einen ersten Schritt, in dem der Druckwert des Brenngases stromaufwärts vom Auf/Zu-Ventil erfasst wird; einen zweiten Schritt, in dem auf der Basis des Druckwerts, der im ersten Schritt erfasst wurde, die Schließversagens-Bestimmungsbedingungen für das Auf/Zu-Ventil festgesetzt werden, und einen dritten Schritt, in dem auf der Basis der Schließversagens-Bestimmungsbedingungen, die im zweiten Schritt festgesetzt wurden, bestimmt wird, ob das Auf/Zu-Ventil ein Schließversagen zeigt.
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In einem Fall, wo ein solcher Aufbau und ein solches Verfahren verwendet werden, kann selbst dann, wenn sich der Druckwert (der Primärdruck) des Brenngases stromaufwärts vom Auf/Zu-Ventil ändert, die Bestimmung des Schließversagens des Auf/Zu-Ventils korrekt verwirklicht werden. Wenn das Auf/Zu-Ventil beispielsweise aufgrund des Anstiegs des Primärdrucks nicht leicht öffnet, können die Schließversagens-Bestimmungsbedingungen gelockert werden, um die falsche Bestimmung des Schließversagens des Auf/Zu-Ventils zu verhindern. Infolgedessen kann verhindert werden, dass das System in einen Zustand fällt, in dem das System nicht gestartet werden kann. Es sei klargestellt, dass der „Zustand des Gases” ein Gaszustand ist, der von einer Strömungsrate, einem Druck, einer Temperatur, einer Molkonzentration oder dergleichen abhängt und der insbesondere die Gasströmungsrate und/oder den Gasdruck einschließt.
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Darüber hinaus kann in dem genannten Brennstoffzellensystem und Diagnoseverfahren ein Injektor als Auf/Zu-Ventil verwendet werden.
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Ferner kann das genannte Brennstoffzellensystem das Bestimmungsbedingungs-Festsetzungsmittel verwenden, um eine Energieversorgungszeit bis ein Stromwert erhalten wird, der für das Öffnen des Injektors nötig ist, als Schließversagens-Bestimmungsbedingung festzusetzen, und um die Energieversorgungszeit gemäß dem erfassten Druckwert zu ändern, wenn der erfasste Druckwert einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.
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Wenn ein solcher Aufbau verwendet wird, kann die Energieversorgungszeit (eine Stromeingabezeit) bis zum Erhalt des Stromwerts, der notwendig ist, um den Injektor zu öffnen, als Schließversagens-Bestimmungsbedingung verwendet werden. Wenn der Druckwert (der Primärdruck) des Brenngases stromaufwärts vom Injektor ansteigt und den vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, können außerdem die Schließversagens-Bestimmungsbedingungen (die Stromeingabezeit) gemäß dem Druckwert geändert werden. Auch wenn der Injektor sich aufgrund des Anstiegs des Primärdrucks nicht leicht öffnet, kann die Bestimmung des Schließversagens des Injektors daher korrekt verwirklicht werden.
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In dem Brennstoffzellensystem ist es darüber hinaus bevorzugt, das Bestimmungsbedingungs-Festsetzungsmittel zu verwenden, um die Energieversorgungszeit auf der Basis der Temperatur des Injektors zu korrigieren.
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Wenn ein solcher Aufbau verwendet wird, kann die Energieversorgungszeit (die Stromeingabezeit) als Schließversagens-Bestimmungsbedingung auf der Basis der Temperatur des Injektors korrigiert werden. Auch wenn die Temperatur des Injektors steigt, wodurch sich sein Widerstand erhöht und somit die Energieversorgungszeit bis zum Erhalt des Stroms, der notwendig ist, um den Injektor zu öffnen, länger wird als üblich, kann die Schließversagens-Bestimmungsbedingung (die Stromeingabezeit) korrigiert werden, um die Bestimmung des Schließversagens des Injektors korrekt zu verwirklichen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann in dem Brennstoffzellensystem mit dem Auf/Zu-Ventil selbst dann, wenn der Druckwert (der Primärdruck) des Brenngases stromaufwärts vom Auf/Zu-Ventil ansteigt, die Bestimmung des Schließversagens des Auf/Zu-Ventils korrekt verwirklicht werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 ist eine Aufbauskizze eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist ein Steuerblockschema, das den Steuerungsaufbau einer Steuereinrichtung des in 1 dargestellten Brennstoffzellensystems zeigt;
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3 ist ein Kennfeld, das eine Beziehung zwischen den Schließversagens-Bestimmungsbedingungen eines Injektors des Brennstoffzellensystems von 1 und einem Primärdruck zeigt;
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4 ist ein Ablaufschema, das ein Verfahren für die Diagnose des Injektors des Brennstoffzellensystems von 1 zeigt;
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5 ist ein Aufbauschema, das eine Modifikation des Brennstoffzellensystems von 1 zeigt; und
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6 ist ein Kennfeld, das eine Beziehung zwischen den Schließversagens-Bestimmungsbedingungen des Injektors des Brennstoffzellensystems von 1, dem Primärdruck und der Spulentemperatur des Injektors zeigt.
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Beste Weise zur Durchführung der Erfindung
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Im Folgenden wird ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Beispiel, in dem die vorliegende Erfindung auf ein in ein Fahrzeug eingebautes Leistungserzeugungssystem eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs angewendet wird, beschrieben.
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Zuerst wird ein Aufbau eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 1 bis 3 beschrieben. Wie in 1 dargestellt, weist das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf: eine Brennstoffzelle 10, die die Zufuhr eines Reaktionsgases (eines Oxidierungsgases und eines Brenngases) empfängt, um Leistung zu erzeugen; ein Oxidierungsgas-Leitungssystem 2, das Luft als Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle 10 liefert; ein Wasserstoffgas-Leitungssystem 3, das ein Wasserstoffgas als Brenngas zur Brennstoffzelle 10 liefert; eine Steuereinrichtung 4, die generell das gesamte System steuert, und dergleichen.
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Die Brennstoffzelle 10 weist eine Stapelstruktur auf, in der die nötige Anzahl an Einheitszellen für den Empfang des zugeführten Brenngases für die Leistungserzeugung laminiert sind. Die von der Brennstoffzelle 10 erzeugte Leistung wird zu einer Leistungssteuereinheit (PCU) 11 geliefert. Die PCU 11 weist einen Wechselrichter, einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler und dergleichen auf, die zwischen der Brennstoffzelle 10 und einem Fahrmotor 12 angeordnet sind. Darüber hinaus ist ein Stromsensor 13, der während der Leistungserzeugung einen Strom erfasst, an der Brennstoffzelle 10 angebracht.
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Das Oxidierungsgas-Leitungssystem 2 weist auf: einen Luftzufuhr-Strömungsweg 21 für die Zufuhr des Oxidierungsgases (der Luft), das (bzw. die) von einem Befeuchter 20 befeuchtet wird, zur Brennstoffzelle 10, einen Luftabfuhr-Strömungsweg 22 für die Leitung eines Oxidierungsabgases, das aus der Brennstoffzelle 10 ausgetragen wird, zum Befeuchter 20 und einen Abgasströmungsweg 23 für die Leitung des Oxidierungsabgases vom Befeuchter 21 nach außen. Der Luftzufuhr-Strömungsweg 21 ist mit einem Kompressor 24 versehen, der das Oxidierungsgas aus der Atmosphäre holt, um das Gas unter Druck in den Befeuchter 20 einzuspeisen.
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Das Wasserstoffgas-Leitungssystem 3 weist auf: einen Wasserstofftank 30 als Brennstoffzufuhrquelle, in dem das Wasserstoffgas mit einem hohem Druck aufgenommen wird; einen Wasserstoffzufuhr-Strömungsweg 31 als Brennstoffzufuhr-Strömungsweg, um das Wasserstoffgas vom Wasserstofftank 30 zur Brennstoffzelle 10 zu liefern; und einen Umwälzströmungsweg 32, um ein Wasserstoffabgas, das aus der Brennstoffzelle 10 ausgetragen wird, zum Wasserstoffzufuhr-Strömungsweg 31 zurückzuführen. Es sei klargestellt, dass anstelle des Wasserstofftanks 30 ein Reformer, der ein wasserstoffreiches reformiertes Gas aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff bildet, und ein Hochdruck-Gastank, der das von diesem Reformer reformierte Gas in einen Hochdruckzustand bringt, als Brennstoffzufuhrquellen verwendet werden können. Alternativ dazu kann ein Tank mit einer Wasserstoff okkludierenden Legierung als Brennstoffzufuhrquelle verwendet werden.
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Der Wasserstoffzufuhr-Strömungsweg 31 ist mit einem Sperrventil 33, das die Zufuhr des Wasserstoffgases vom Wasserstofftank 30 unterbricht oder zulässt, einem Regler 34, der den Druck des Wasserstoffgases regelt, und einem Injektor 35 versehen. Darüber hinaus sind stromaufwärts vom Injektor 35 ein Primädrücksensor 41 und ein Temperatursensor 42 vorgesehen, um den Druck und die Temperatur des Wasserstoffgases im Wasserstoffzufuhr-Strömungsweg 31 zu erfassen. Ferner ist stromabwärts vom Injektor 35 und stromaufwärts von einem Vereinigungsabschnitt A1 zwischen dem Wasserstoffzufuhr-Strömungsweg 31 und dem Umwälzströmungsweg 32 ein Sekundärdrucksensor 43 vorgesehen, der den Druck des Wasserstoffgases im Wasserstoffzufuhr-Strömungsweg 31 erfasst.
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Der Regler 34 ist eine Einrichtung, die den stromaufwärtsseitigen Druck (den Primärdruck) auf einen voreingestellten Sekundärdruck regelt. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein mechanisches Druckminderungsventil, das den Primärdruck senkt, als Regler 34 verwendet. Als Aufbau des mechanischen Druckminderungsventils kann ein bekannter Aufbau verwendet werden, der ein Gehäuse aufweist, das mit einer Gegendruckkammer und einer Druckanpassungskammer, die über eine Membran gebildet ist, ausgestattet ist, und in dem der Primärdruck durch den Gegendruck der Gegendruckkammer auf einen vorgegebenen Druck gesenkt wird, um den Sekundärdruck in der Druckanpassungskammer zu bilden. In der vorliegenden Ausführungsform kann, wie in 1 dargestellt, wenn zwei Regler 34 stromaufwärts vom Injektor 35 angeordnet sind, der Druck stromaufwärts vom Injektor 35 wirksam gesenkt werden. Als Folge davon kann die Gestaltungsfreiheit für eine mechanische Struktur des Injektors 34 (einen Ventilkörper, ein Gehäuse, einen Strömungsweg, eine Antriebseinrichtung usw.) erhöht werden. Darüber hinaus kann verhindert werden, dass der Ventilkörper des Injektors 35 sich nicht leicht bewegt, weil ein Unterschied zwischen dem Druck stromaufwärts und dem Druck stromabwärts vom Injektor 35 zunimmt, da der Druck stromaufwärts vom Injektor gesenkt werden kann. Daher kann der variable Druckanpassungsbereich des Drucks stromabwärts vom Injektor 35 vergrößert werden, und die Senkung der Ansprechempfindlichkeit des Injektors 35 kann verhindert werden.
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Der Injektor 35 ist ein elektromagnetisch angetriebenes Auf/Zu-Ventil, in dem ein Ventilkörper über einen vorgegebenen Antriebszyklus direkt mit einer elektromagnetischen Antriebskraft angetrieben und von einem Ventilsitz getrennt wird, wodurch eine Gasströmungsrate oder ein Gasdruck geregelt werden kann. Der Ventilsitz des Injektors 35 weist ein Strahlloch auf, das einen gasförmigen Brennstoff, wie das Wasserstoffgas, ausstrahlt, und weist außerdem einen Düsenkörper auf, der den gasförmigen Brennstoff zum Strahlloch liefert und lenkt, und der Ventilkörper ist in einer axialen Richtung (einer Gasströmungsrichtung) in Bezug auf diesen Düsenkörper bewegbar aufgenommen und gehalten, um das Strahlloch zu öffnen oder zu schließen. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Ventilkörper des Injektors 35 durch ein Magnetventil angetrieben, bei dem es sich um eine elektromagnetische Antriebseinrichtung handelt, und ein impulsartiger Erregungsstrom, der zu diesem Magnetventil geliefert wird, kann an- oder abgestellt werden, um den Öffnungsquerschnitt des Strahllochs in zwei Schritten oder in mehreren Schritten zu ändern. Eine Gasstrahlzeit und ein Gasstrahlzeitpunkt des Injektors 35 werden von einem Steuersignal gesteuert, das von der Steuereinrichtung 4 ausgegeben wird, um die Strömungsrate und den Druck des Wasserstoffgases exakt zu steuern. Im Injektor 35 wird das Ventil (der Ventilkörper und der Ventilsitz) direkt von der elektromagnetischen Antriebskraft angetrieben, um sich zu öffnen oder zu schießen, und der Antriebszyklus des Ventils kann in einer ansprechempfindlichen Region (z. B. mehrere ms bis mehrere zehn ms) gesteuert werden, so dass der Injektor eine hohe Ansprechempfindlichkeit aufweist.
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Um die geforderte Gasströmungsrate zur Seite stromabwärts vom Injektor 35 zu liefern, wird bzw. werden der Öffnungsquerschnitt (Öffnungsgrad) und/oder eine Öffnungszeit des Ventilkörpers, der im Gasströmungsweg des Injektors 35 vorgesehen ist, geändert, um die Strömungsrate (oder die Wasserstoff-Molkonzentration) des Gases, das zur stromabwärtigen Seite (zur Seite der Brennstoffzelle 10) geliefert werden soll, zu regeln. Es sei darauf hingewiesen, dass der Ventilkörper des Injektors 35 geöffnet und geschlossen wird, um die Gasströmungsrate zu regeln, und dass der Druck des Gases, das zur Seite stromabwärts vom Injektor 35 geliefert werden soll, unter den Gasdruck auf der Seite stromaufwärts vom Injektor 35 gesenkt wird, so dass der Injektor 35 als Druckanpassungsventil (als Druckminderungsventil, als Regler) interpretiert werden kann. Darüber hinaus kann in der vorliegenden Ausführungsform der Injektor als variables Druckanpassungsventil interpretiert werden, das in der Lage ist, den Umfang der Druckanpassung des Gasdrucks (den Umfang der Drucksenkung) stromaufwärts vom Injektor 35 zu ändern, so dass der Druck einem geforderten Druck in einem vorgegebenen Druckbereich auf der Basis eines Gasbedarfs gerecht wird.
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Es sei darauf hingewiesen, dass in der vorlegenden Ausführungsform, wie in 1 dargestellt, der Injektor 35 stromaufwärts vom Vereinigungsabschnitt A1 zwischen dem Wasserstoffzufuhr-Strömungsweg 31 und dem Umwälz-Strömungsweg 32 angeordnet ist. Darüber hinaus kann, wie von den gestrichelten Linien in 1 dargestellt, in einem Fall, wo eine Vielzahl von Wasserstofftanks 30 als Kraftstoffzufuhrquellen verwendet werden, der Injektor 35 stromabwärts von einem Abschnitt, wo die Wasserstoffgase, die von den Wasserstofftanks 30 geliefert werden, vereinigt werden (einem Wasserstoffgas-Vereinigungsabschnitt A2), angeordnet sein.
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Der Umwälz-Strömungsweg 32 ist über einen Gas/Flüssigkeit-Separator 36 und ein Gas/Wasser-Abfuhrventil 37 mit einem Abfuhr-Strömungsweg 38 verbunden. Der Gas/Flüssigkeit-Separator 36 sammelt das im Wasserstoffabgas enthaltene Wasser. Das Gas/Wasser-Abfuhrventil 37 arbeitet gemäß einem Befehl von der Steuereinrichtung 4, um das enthaltene Wasser, das vom Gas/Flüssigkeit-Separator 36 gesammelt wurde, und das Wasserstoffabgas (ein Brennstoffabgas), das Verunreinigungen im Abgasströmungsweg 32 enthält, abzuführen (auszutreiben). Darüber hinaus ist der Umwälz-Strömungsweg 32 mit einer Wasserstoffpumpe 39 versehen, die das Wasserstoffabgas im Umwälzströmungsweg 32 unter Druck setzt, um das Gas zur Seite eines Wasserstoffzufuhr-Strömungswegs 31 zu liefern. Es sei klargestellt, dass das Wasserstoffabgas, das durch das Gas/Wasser-Abfuhrventil 37 und den Abfuhr-Strömungsweg 38 abgeführt wird, von einem Verdünner 40 verdünnt wird, bevor es sich mit dem Oxidierungsabgas im Abgasströmungsweg 23 vereinigt.
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Die Steuereinrichtung 4 erfasst den Betätigungsumfang eines Beschleunigungsbetätigungselements (eines Gaspedals oder dergleichen), das im Fahrzeug vorgesehen ist, und empfängt Steuerinformationen, wie einen geforderten Beschleunigungswert (z. B. den geforderten Leistungserzeugungsumfang von einer Lasteinrichtung, wie dem Fahrmotor 12), um die Operationen verschiedener Einheiten im System zu steuern. Es sei darauf hingewiesen, dass die Lasteinrichtung ein gattungsgemäßer Verbraucher ist, der zusätzlich zum Fahrmotor 12 eine Zubehöreinrichtung (z. B. den Motor des Kompressors 24, die Wasserstoffpumpe 39, eine Kühlpumpe oder dergleichen), die für den Betrieb der Brennstoffzelle 10 erforderlich ist, ein Stellglied zur Verwendung in irgendeiner Art von Einrichtung (einer Gangschaltung, einer Radsteuereinrichtung, einer Lenkeinrichtung, einer Aufhängungseinrichtung, einer Klimatisierungseinrichtung (einer Klimaanlage) eines Insassenraums, einer Beleuchtung, einer Audioeinrichtung oder dergleichen einschließen kann.
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Die Steuereinrichtung 4 besteht aus einem Computersystem (nicht dargestellt). Ein solches Computersystem weist eine CPU, einen ROM, einen RAM, ein HDD, eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle, eine Anzeige und dergleichen auf, und die CPU liest jede Art von Steuerprogramm, das im ROM aufgezeichnet ist, und führt es aus, um verschiedene Steueroperationen zu verwirklichen.
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Genauer berechnet die Steuereinrichtung 4, wie in 2 dargestellt, die Menge des Wasserstoffgases, das von der Brennstoffzelle 10 verbraucht wird (nachstehend als „Wasserstoffverbrauch” bezeichnet), auf der Basis des Betriebszustands der Brennstoffzelle 10 (dem Stromwert der Brennstoffzelle 10 während der Leistungserzeugung, der vom Stromsensor 13 erfasst wird) (Brennstoffverbrauchs-Berechnungsfunktion: B1). In der vorliegenden Ausführungsform wird der Wasserstoffverbrauch für jede Berechnungsperiode der Steuereinrichtung 4 mittels einer speziellen Rechenformel, die eine Beziehung zwischen dem Stromwert der Brennstoffzelle 10 und dem Wasserstoffverbrauch anzeigt, berechnet und aktualisiert.
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Darüber hinaus berechnet die Steuereinrichtung 4 einen Zieldruckwert (den Ziel-Gaszufuhrdruck zur Brennstoffzelle 10) des Wasserstoffgases stromabwärts vom Injektor 35 auf der Basis des Betriebszustands der Brennstoffzelle 10 (des Stromwerts der Brennstoffzelle 10 während der Leistungserzeugung, der vom Stromsensor 13 erfasst wird) (Berechnungsfunktion für den Ziel-Druckwert: B2). In der vorliegenden Ausführungsform berechnet und aktualisiert die Steuereinrichtung den Ziel-Druckwert an einer Stelle, wo der Sekundärdrucksensor 43 angeordnet ist, für jede Berechnungsperiode der Steuereinrichtung 4 mittels eines speziellen Kennfelds, das eine Beziehung zwischen dem Stromwert der Brennstoffzelle 10 und dem Ziel-Druckwert anzeigt.
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Ferner berechnet die Steuereinrichtung 4 eine Rückkopplungskorrektur-Strömungsrate auf der Basis eines Unterschieds zwischen dem berechneten Ziel-Druckwert und dem Druckwert an der Stelle stromabwärts vom Injektor 35, der vom Sekundärdrucksensor 43 erfasst wird (dem erfassten Druckwert) (Berechnungsfunktion für die Rückkopplungskorrektur-Strömungsrate: B3). Die Rückkopplungskorrektur-Strömungsrate ist eine Wasserstoffgas-Strömungsrate, die zum Wasserstoffverbrauch addiert werden muss, um den Unterschied zwischen dem Ziel-Druckwert und dem erfassten Druckwert zu verringern. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Rückkopplungskorrektur-Strömungsrate für jede Berechnungsperiode der Steuereinrichtung 4 mittels einer PI-Rückkopplungssteuerregel berechnet und aktualisiert.
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Darüber hinaus berechnet die Steuereinrichtung 4 eine statische Strömungsrate stromaufwärts vom Injektor 35 auf der Basis des Gaszustands stromaufwärts vom Injektor 35 (des Drucks des Wasserstoffgases, der vom Primärdrücksensor 41 erfasst wird, und der Temperatur des Wasserstoffgases, die vom Temperatursensor 42 erfasst wird) (Berechnungsfunktion für die statische Strömungsrate: B4). In der vorliegenden Ausführungsform wird mittels einer speziellen Rechenformel, die eine Beziehung zwischen dem Druck und der Temperatur des Wasserstoffgases stromaufwärts vom Injektor 35 und der Strömungsrate anzeigt, die statische Strömungsrate für jede Berechnungsperiode der Steuereinrichtung 4 berechnet und aktualisiert.
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Ferner berechnet die Steuereinrichtung 4 eine ungültige Strahldauer des Injektors 35 auf der Basis des Gaszustands (des Drucks und der Temperatur des Wasserstoffgases) stromaufwärts vom Injektor 35 und einer angelegten Spannung (Berechnungsfunktion für die ungültige Strahldauer: B5). Hierbei ist die ungültige Strahldauer eine Zeit, die ab dem Zeitpunkt, wo der Injektor 35 das Steuersignal von der Steuereinrichtung 4 empfängt, bis zu einem Zeitpunkt, an dem die Düsen tatsächlich zu strahlen beginnen, vergehen muss. In der vorliegenden Ausführungsform wird mittels eines speziellen Kennfelds, das eine Beziehung zwischen dem Druck und der Temperatur des Wasserstoffgases stromaufwärts vom Injektor 35, der angelegten Spannung und der ungültigen Strahldauer anzeigt, die ungültige Strahldauer für jede Berechnungsperiode der Steuereinrichtung 4 berechnet und aktualisiert.
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Außerdem addiert die Steuereinrichtung 4 den Wasserstoffverbrauch und die Rückkopplungskorrektur-Strömungsrate, um eine Strahlströmungsrate des Injektors 35 zu berechnen und zu aktualisieren (Strahlströmungsraten-Berechnungsfunktion: B6). Dann multipliziert die Steuereinrichtung 4 den Antriebszyklus des Injektors 35 mit einem Wert, der durch Teilen der Strahlströmungsrate des Injektors 35 durch die statische Strömungsrate erhalten wird, um eine Grund-Strahldauer des Injektors 35 zu berechnen, und die Einrichtung addiert diese Grund-Strahldauer und die ungültige Strahldauer, um die Gesamt-Strahldauer des Injektors 35 zu berechnen (Berechnungsfunktion für die Gesamt-Strahldauer: B7). Hierbei ist der Antriebszyklus eine gestufte (Ein/Aus-)Wellenform, die den geöffneten oder geschlossenen Zustand der Strahllöcher des Injektors 35 anzeigt. In der vorliegenden Ausführungsform setzt die Steuereinrichtung 4 den Antriebszyklus auf einen vorgegebenen Wert.
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Dann gibt die Steuereinrichtung 4 das Steuersignal für die Verwirklichung der Gesamt-Strahldauer des Injektors 35, die auf die oben genannte Weise berechnet wurde, aus, um die Gasstrahldauer und den Gasstrahlzeitpunkt des Injektors 35 zu berechnen, wodurch die Strömungsrate und der Druck des Wasserstoffgases, das zur Brennstoffzelle 10 geliefert werden soll, geregelt werden.
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Darüber hinaus führt die Steuereinrichtung 4 eine Diganose des Injektors 35 beim Start des Brennstoffzellensystems 10 (eine Schließversagensbestimmung des Injektors 35) durch. Genauer versorgt die Steuereinrichtung 4 beim Starten des Brennstoffzellensystems 1 den Injektor 35 mit Energie und bestimmt, oh der Druck (der Sekundärdruck) stromabwärts vom Injektor 35 über einen vorgegebenen Schwellenwert steigt oder nicht, wenn diese Energieversorgungszeit eine vorgegebene Bezugszeit (eine Stromeingabezeit, um einen Strom zu erhalten, der notwendig ist, um den Injektor 35 zu öffnen: eine Schließversagens-Bestimmungsbedingung) überschritten hat. Infolgedessen kann erfasst werden, ob der Injektor 35 ein Schließversagen zeigt. Das heißt, die Steuereinrichtung 4 dient als Versagenserfassungsmittel in der vorliegenden Erfindung.
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Es sei klargestellt, dass beim Starten des Brennstoffzellensystems 1 die Steuereinrichtung 4 die Schließversagensbestimmung des Injektors 35 durchführen kann, wenn der Druck stromaufwärts vom Injektor 35 (der Primärdruck) unter einem Ventilöffnungs-Befähigungsdruck Pc liegt, wie in 3 dargestellt. Darüber hinaus wird in der vorliegenden Ausführungsform, wie in 3 dargestellt, in einem Fall, wo der Druck stromaufwärts vom Injektor 35 ein normaler oberer Grenzdruck PMAX ist, eine Standard-Stromeingabezeit (die Schließversagens-Bestimmungsbedingung) auf eine Stromeingabezeit t0 gesetzt. Der Ventilöffnungs-Befähigungsdruck Pc ist der Höchstwert für den Primärdruck, bei dem der Injektor 35 geöffnet werden kann. Darüber hinaus ist der obere Grenzdruck PMAX der obere Grenzwert für den Primärdruck zur Verwendung während des Normalbetriebs des Injektors 35 und entspricht einem vorgegebenen Schwellenwert in der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 dargestellt, wird der Ventilöffnungs-Befähigungsdruck Pc auf einen größeren Wert als der normale obere Grenzdruck PMAX gesetzt.
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Darüber hinaus erfasst beim Starten des Brennstoffzellensystems 1 die Steuereinrichtung 4 den Druck stromaufwärts vom Injektor 35 (den Primärdruck) mittels des Primärdrucksensors 41. Wenn der erfasste Primärdruck den vorgegebenen Schwellenwert (den normalen oberen Grenzdruck PMAX) übersteigt, ändert ferner die Steuereinrichtung 4 die Schließversagens-Bestimmungsbedingung (die Stromeingabezeit) gemäß dem erfassten Druckwert. Das heißt, die Steuereinrichtung 4 dient auch als Bestimmungsbedingungs-Festsetzungsmittel in der vorliegenden Erfindung. Wenn beispielsweise, wie in 3 dargestellt, der erfasste Primärdruck P1 (> PMAX) ist, ändert die Steuereinrichtung 4 die Stromeingabezeit als die Schließversagens-Bestimmungsbedingung von t0 auf t1 und bestimmt das Schließversagen des Injektors 35, nachdem diese neue Stromeingabezeit t1 vergangen ist. Wenn dagegen der erfasste Primärdruck der vorgegebene Schwellenwert (der normale obere Grenzdruck PMAX) oder weniger ist, bestimmt die Steuereinrichtung 4 ein Schließversagen durch Anwenden der Standard-Stromeingabezeit t0.
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Nun wird ein Diagnoseverfahren für den Injektor 35 des Brennstoffzellensystems 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform (ein Schließversagens-Bestimmungsverfahren) mit Bezug auf das Kennfeld von 3 und ein Kennfeld von 4 beschrieben.
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Während des Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems 1 wird das Wasserstoffgas vom Wasserstofftank 30 durch den Wasserstoffzufuhr-Strömungsweg 31 zu einem Brennstoffpol der Brennstoffzelle 10 geliefert, und befeuchtete und regulierte Luft wird durch den Luftzufuhr-Strömungsweg 21 zu einem Oxidierungspol der Brennstoffzelle 10 geliefert, um Leistung zu erzeugen. In diesem Fall wird die Leistung (die geforderte Leistung), die aus der Brennstoffzelle 10 gezogen werden soll, von der Steuereinrichtung 4 berechnet, und das Wasserstoffgas und die Luft werden in einer Menge, die der Leistungserzeugungsmenge entspricht, zur Brennstoffzelle 10 geliefert. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Schließversagen des Injektors 35 beim Starten des Systems bestimmt, bevor ein solcher Normalbetrieb verwirklicht wird.
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Zuerst bestimmt die Steuereinrichtung 4 des Brennstoffzellensystems 1 das Vorhandensein eines Startsignals in einem angehaltenen Betriebszustand (Betriebsstart-Bestimmungsschritt: S1). Wenn das Betriebsstartsignal (das EIN-Signal eines Zündschalters) erfasst wird, bestimmt anschließend die Steuereinrichtung 4 den Druck (einen Primärdruck P) des Wasserstoffgases stromaufwärts vom Injektor 35 des Wasserstoffzufuhr-Strömungswegs 31 mittels des Primärdrucksensors 41 (Primärdruck-Erfassungsschritt: S2), um zu bestimmen, ob der Primärdruck P den normalen oberen Grenzdruck PMAX übersteigt oder nicht (Primärdruck-Bestimmungsschritt: S3). Der Primärdruck-Bestimmungsschritt S2 entspricht einem ersten Schritt in der vorliegenden Erfindung.
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Wenn die Steuereinrichtung 4 im Primärdruck-Bestimmungsschritt S3 bestimmt, dass der Primärdruck P der normale obere Grenzdruck PMAX oder weniger ist, geht die Steuereinrichtung 4 dann zu einem Schritt S6 über, wo eine kontinuierliche Energieversorgung durchgeführt wird, ohne die Schließversagens-Bestimmungsbedingung des Injektors (die Standard-Stromeingabezeit t0, die in 3 dargestellt ist), zu ändern. Wenn dagegen die Steuereinrichtung 4 im Primärdruck-Bestimmungsschritt bestimmt, dass der Primärdruck P den normalen oberen Grenzdruck PMAX übersteigt, bestimmt die Einrichtung, ob der Primärdruck P unter dem Ventilöffnungsbefähigungsdruck Pc liegt (Grenzdruck-Bestimmungsschritt: S4). Wenn die Einrichtung bestimmt, dass der Primärdruck P unter dem Ventilöffnungsbefähigungsdruck Pc liegt, ändert die Einrichtung die Schließversagens-Bestimmungsbedingung des Injektors 35 (Bestimmungsbedingungs-Änderungsschritt: S5). Beispielsweise ändert die Steuereinrichtung 4, wie in 3 dargestellt, die Stromeingabezeit als die Schließversagens-Bestimmungsbedingung von t0 in t1, wenn der Primärdruck P gleich P1 ist PMAX < P1 < Pc). Der Bestimmungsbedingungs-Änderungsschritt 55 entspricht einem zweiten Schritt in der vorliegenden Erfindung. Es sei klargestellt, dass die Einrichtung in einem Fall, wo die Steuereinrichtung 4 im Grenzdruck-Bestimmungsschritt 54 bestimmt, dass der Primärdruck P der Ventilöffnungsbefähigungsdruck Pc ist oder darüber liegt, entscheidet, dass der Injektor 35 nicht geöffnet werden kann, wodurch der Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 unterbrochen wird (ein Betriebsunterbrechungsschritt: S9).
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Nach dem Primärdruck-Bestimmungsschritt S3 oder dem Bestimmungsbedingungs-Änderungsschritt S5 versorgt die Steuereinrichtung 4 den Injektor 35 über eine vorgegebene Zeit kontinuierlich mit Energie (Schritt der kontinuierlichen Energieversorgung: S6) und bestimmt, ob diese Energieversorgungszeit eine vorgegebene Bezugszeit (die Stromeingabezeit als die Schließversagens-Bestimmungsbedingung) übertrifft oder nicht (Energieversorgungszeit-Bestimmungsschritt: S7). Wenn die Energieversorgungszeit des Injektors 35 die vorgegebene Bezugszeit überschritten hat, bestimmt die Steuereinrichtung 4 dann, ob der Druck stromabwärts vom Injektor 35 (der Sekundärdruck) über den vorgegebenen Schwellenwert steigt oder nicht (Schließversagens-Bestimmungsschritt: S8). Der Energieversorgungszeit-Bestimmungsschritt S7 und der Schließversagens-Bestimmungsschritt S8 entsprechen einem dritten Schritt in der vorliegenden Erfindung. Durch die oben genannte Gruppe von Schritten kann das Schließversagen des Injektors 35 beim Starten des Brennstoffzellensystems 1 bestimmt werden. Es sei klargestellt, dass der Schwellenwert des Sekundärdrucks, der im Schließversagens-Bestimmungsschritt S8 verwendet wird, auf geeignete Weise gemäß dem Druck im Wasserstofftank 30 und den Spezifikationen, dem Format der Brennstoffzelle 10 und dergleichen festgesetzt werden kann.
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Im Brennstoffzellensystem 1 gemäß der obigen Ausführungsform kann, wenn der Druckwert (der Primärdruck P) des Brenngases stromaufwärts vom Injektor 35 über den vorgegebenen Schwellenwert (den normalen oberen Grenzdruck PMAX) steigt, die Schließversagens-Bestimmungsbedingung (die Stromeingabezeit) des Injektors 35 gemäß dem Primärdruck P geändert werden. Auch wenn der Injektor 35 sich aufgrund des steigenden Primärdrucks P nicht leicht öffnet, kann die Schließversagensbestimmung für den Injektor 35 korrekt verwirklicht werden. Infolgedessen kann verhindert werden, dass das System in einen Zustand gerät, in dem das System nicht starten kann.
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Es sei klargestellt, dass in der obigen Ausführungsform ein Beispiel beschrieben wurde, in dem das Wasserstoffgas-Leitungssystem 3 des Brennstoffzellensystems 1 mit dem Zirkulationsströmungsweg 32 versehen ist, aber wie beispielsweise in 5 dargestellt, kann ein Abfuhr-Strömungsweg 38 direkt mit einer Brennstoffzelle 10 verbunden sein, um den Zirkulations-Strömungsweg 32 zu vermeiden. Auch wenn ein solcher Aufbau (ein Dead-End-System) verwendet wird, kann auf die gleiche Weise wie in der obigen Ausführungsform die Schließversagens-Bestimmungsbedingung gemäß dem Druck stromaufwärts vom Injektor 35 (dem Primärdruck) geändert werden, um eine ähnliche Funktion oder Wirkung zu erhalten.
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Außerdem wird in der obigen Ausführungsform der Temperaturanstieg des Injektors 35 nicht berücksichtigt, aber im Falle einer kurzen Zeit vom Anhalten bis zum Start des Systems oder im Falle einer hohen Außenlufttemperatur steigt die Temperatur einer Spirale, die ein Magnetventil des Injektors 35 darstellt, an. Wenn die Spiralentemperatur des Injektors 35 auf diese Weise ansteigt, steigt sein Widerstand, so dass die Energieversorgungszeit bis zum Erhalt des Stroms, der notwendig ist, um den Injektor 35 zu öffnen, manchmal länger als gewöhnlich wird. Angesichts eines solchen Falles kann die Schließversagens-Bestimmungsbedingung auf der Basis der Spiralentemperatur des Injektors 35 korrigiert werden.
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Beispielsweise erfasst die Steuereinrichtung 4 die Temperatur der Spirale des Injektors 35 mittels eines Spiralentemperatursensors (nicht dargestellt) beim Starten des Brennstoffzellensystems 1 und kann die Schließversagens-Bestimmungsbedingung (die Stromeingabezeit) von t0 in t0' ändern, wie in 6 dargestellt, wenn die erfasste Spiralentemperatur den vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, und die Einrichtung kann das Schließversagen des Injektors 35 bestimmen, nachdem diese korrigierte Schließversagens-Bestimmungsbedingung t0' vergangen ist. Wenn der erfasste Primärdruck P1 (> PMAX) ist und die erfasste Spiralentemperatur den vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, wie in 6 dargestellt, wird außerdem die geänderte Schließversagens-Bestimmungsbedingung von t1 in t1' korrigiert, und das Schließversagen des Injektors 35 kann bestimmt werden, nachdem diese korrigierte Schließversagens-Bestimmungsbedingung t1' vergangen ist.
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In diesem Fall kann die Stromeingabezeit als die Schließversagens-Bestimmungsbedingung auf der Basis der Temperatur des Injektors 35 korrigiert werden, so dass die Bestimmung des Schließversagens des Injektors 35 auch in einem Fall, wo die Energieversorgungszeit bis zum Erhalten des Stroms, der notwendig ist, um den Injektor 35 zu öffnen, aufgrund des Anstiegs des Widerstands länger wird als gewöhnlich, korrekt verwirklicht werden kann.
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In der obigen Ausführungsform wurde darüber hinaus ein Beispiel beschrieben, wo der Injektor 35 als Auf/Zu-Ventil in der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, aber das Auf/Zu-Ventil ist nicht auf den Injektor 35 beschränkt, solange der Gaszustand auf der stromaufwärtigen Seite des Zufuhr-Strömungswegs (des Wasserstoffzufuhr-Strömungswegs 31) reguliert wird, um das Gas zur stromabwärtigen Seite zu liefern.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Wie in der obigen Ausführungsform beschrieben, kann ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung in ein Brennstoffzellen-Fahrzeug eingebaut sein und kann in jede Art von mobilem Gegenstand (einem Roboter, einem Schiff, einem Flugzeug oder dergleichen) abgesehen vom Brennstoffzellen-Fahrzeug eingebaut sein. Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung auf ein stationäres Leistungserzeugungssystem angewendet werden, das als Leistungserzeugungsanlage für ein Gebäude (ein Wohnhaus, ein Geschäftshaus, usw. verwendet wird).
