-
Technisches Gebiet
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das eine
variable Gaszuführvorrichtung in einem Zuführkanal
zum Zuführen eines von einer Brennstoffzuführquelle
zugeführten Brenngases an eine Brennstoffzelle beinhaltet.
-
Technischer Hintergrund
-
Bislang
ist ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen und ist in die Praxis
umgesetzt worden, das eine Brennstoffzelle beinhaltet, die eine
Zufuhr von Reaktionsgasen (ein Brennstoffgas und ein Oxidationsgas)
aufnimmt, um eine Leistung zu erzeugen. In den letzten Jahren ist
ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen worden, in dem ein Brennstoff-Zuführkanal
zum Zuführen des von einer Brennstoffzuführquelle
wie einem Wasserstofftank zugeführten Brenngases zu einer
Brennstoffzelle mit einer variablen Gaszuführvorrichtung
wie einem mechanischen variablen Regler oder einer Einspritzdüse
versehen ist, wobei ein Druck des von der Brennstoffzuführquelle
zugeführten Brenngases gemäß einem Betriebszustand
des Systems geändert werden kann (siehe z. B.
japanische Patentschrift 2005-302563 ).
-
Offenbarung der Erfindung
-
In
einem Brennstoffzellensystem, das eine variable Gaszuführvorrichtung
beinhaltet, kann ein Zustandsbetrag (ein Druck, eine Strömungsrate
oder dergleichen) des Brenngases, das der Brennstoffzelle zugeführt
werden soll, sukzessive geändert werden. Wenn sich hingegen
im Laufe der Zeit eine Veränderung oder eine Anomalität,
wie z. B. ein Ausfall, in der variablen Gaszuführvorrichtung
ereignet, kann ein Gaszuführungs-Zustandsbetrag auf einer
stromabwärtigen Seite nicht präzise gesteuert
werden. Daher besteht Bedarf an einer Technologie, die zu einer Beurteilung
der Anomalität während eines Betriebs in der Lage
ist
-
Im
Hinblick auf eine solche Situation ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das in der Lage
ist, eine Anomalität einer variablen Gaszuführvorrichtung
während eines Betriebs zu beurteilen.
-
Um
die vorstehende Aufgabe zu lösen, ist ein Brennstoffzellensystem
gemäß der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem,
das aufweist: eine Brennstoffzelle; einen Zuführkanal zum
Zuführen eines von einer Brennstoffzuführquelle
zugeführten Brenngases an die Brennstoffzelle; eine variable Gaszuführvorrichtung
zum Anpassen eines Gaszustands auf einer Seite stromauf dieses Zuführkanals, um
das Gas einer stromabwärtigen Seite zuzuführen; einen
Steuerabschnitt zum Ausführen einer PI-Steuerung eines
Gaszuführ-Befehlsbetrags in Bezug auf die variable Gaszuführvorrichtung;
und einen Anomalitätsbeurteilungsabschnitt zum Beurteilen,
ob die variable Gaszuführvorrichtung anomal ist oder nicht, wobei
der Steuerabschnitt einen Lern-Term verwendet, der durch Integrieren
eines I-Term nur dann gebildet wird, wenn ein Betriebszustand der
Brennstoffzelle vorbestimmte zulässige Lernbedingungen
als einen Teil eines Korrektur-Terms der PI-Steuerung erfüllt,
und der Anomalitätsbeurteilungsabschnitt basierend auf
dem Lern-Term beurteilt, ob die variable Gaszuführvorrichtung
anomal arbeitet oder nicht.
-
Dieser
Lern-Term wird erhalten, indem der I-Term in die PI-Steuerung integriert
wird, in anderen Worten, indem ein integrierter Wert (= der I-Term)
von einer Abweichung zwischen einem Steuer-Sollwert (z. B. einem
angepassten Soll-Druckwert auf einer sekundären Seite (einer
stromabwärtigen Seite, einer Brennstoffzellenseite) der
variablen Gaszuführvorrichtung) der PI-Steuerung und einem
tatsächlich erfassten Druckwert aufgrund von vorbestimmter
Bedingungen integriert wird. In einem Fall, in dem eine Anomalität
in der variablen Gaszuführvorrichtung vorliegt, übersteigt
daher die Abweichung zwischen dem Steuer-Sollwert und dem erfassten
Druckwert einen zulässigen Bereich eines Konstruktionsfehlers oder
dergleichen gegenüber einem Fall, wo die Vorrichtung normal
arbeitet, und dies wirkt sich auf den Lern-Term aus. Dem entsprechend
kann basierend auf dem Lern-Term beurteilt werden, ob die variable Gaszuführvorrichtung
anomal arbeitet oder nicht.
-
In
dem Brennstoffzellensystem kann der Anomaliätsbeurteilungsabschnitt
die Anomalitätsbeurteilung basierend auf dem Lern-Term
nur in einem Fall ausführen, in dem der Betriebszustand
der Brennstoffzelle die zulässigen Lernbedingungen erfüllt.
-
Dieser
Struktur entsprechend wird die Anomalitätsbeurteilung basierend
auf dem Lern-Term nur in einem Zustand ausgeführt (einem
Zustand, in dem die zulässigen Lernbedingungen erfüllt
werden), in dem der Betriebszustand der Brennstoffzelle für
das Lernen des I-Terms geeignet ist, in anderen Worten, nur in einem
Fall, in dem der Betriebszustand der Brennstoffzelle stabil ist,
so dass die Genauigkeit der Anomalitätsbeurteilung verbessert
wird.
-
In
dem Brennstoffzellensystem kann der Anomaliätsbeurteilungsabschnitt
außerdem beurteilen, ob die variable Gaszuführvorrichtung
zu einem Zeitpunkt anomal arbeitet, wenn ein Wert des Lern-Terms
außerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.
-
Um
bei dieser Struktur zu verhindern, dass die variable Gaszuführvorrichtung
in einem Fall, in dem die Vorrichtung normal arbeitet, fälschlicherweise
als anomal beurteilt wird und um die Beurteilungspräzision
weiter zu verbessern, kann der Anomaliätsbeurteilungsabschnitt
beurteilen, ob die variable Gaszuführvorrichtung in einem
Fall anomal arbeitet, in dem ein Zustand für eine vorbestimmte
Zeit anhält, bei dem der Wert des Lern-Terms außerhalb
des vorbestimmten Bereichs liegt.
-
In
dem Brennstoffzellensystem kann der Lern-Term für eine
jeweils angeforderte, der Brennstoffzelle zuzuführende
Gasmenge separat eingestellt und aktualisiert werden, die erhalten
wird, indem ein Brenngasverbrauch in der Brennstoffzelle, ein Undichtigkeitsbetrag
von einer Anodenseite zu einer Kathodenseite in der Brennstoffzelle
und ein P-Term zur Verwendung in der PI-Steuerung addiert werden.
-
Der
I-Term, der einen Teil des Korrekturterms in der PI-Steuerung bildet,
ist ein zeitlicher kumulativer Wert der Abweichung zwischen dem
Steuer-Sollwert und dem tatsächlich erfassten Wert (oder
ein Wert, der diesem zeitlichen kumulativen Wert zugeordnet ist),
und der Lern-Term, der den Korrekturterm zusammen mit diesem I-Term
in der PI-Steuerung bildet, ist ein gespeicherter akkumulierter
Wert des I-Terms (oder ein Werts, der diesem akkumulierten Wert
zugeordnet ist) für eine jeweils zuzuführende, angeforderte
Gasmenge. Selbst wenn sich daher der Steuer-Sollwert bei einer raschen
Veränderung der zuzuführenden angeforderten Gasmenge
rasch verändert, kann eine Reaktionsverzögerung
einer Korrektur ausschließlich aufgrund des I-Terms als
der Wert, der mit der Zeit akkumuliert wird, rasch durch den Lern-Term
als der akkumulierte Wert des I-Terms kompensiert werden, und eine
Nachführeigenschaft verbessert werden.
-
Es
ist zu beachten, dass die angeforderte Gasmenge, die der Brennstoffzelle
zugeführt werden soll, basierend auf dem Brenngasverbrauch
in der Brennstoffzelle, dem Undichtigkeitsbetrag von der Anodenseite
zur Kathodenseite in der Brennstoffzelle und einer Schwankung eines
Solldruckwerts auf einer stromabwärtigen Seite der variablen
Gaszuführvorrichtung berechnet werden kann.
-
In
dem Brennstoffzellensystem kann die variable Gaszuführvorrichtung
ein elektromagnetisch angetriebenes Ein-Aus-Ventil (z. B. eine Einspritzdüse)
sein, bei dem ein Ventilkörper direkt mit einer elektromagnetischen
Antriebskraft in einer vorbestimmten Antriebszeitspanne angetrieben
wird und vom Ventilsitz entfernt angeordnet ist bzw. vom Ventilsitz
entfernt wird.
-
Entsprechend
der vorliegenden Erfindung kann in dem Brennstoffzellensystem, das
die variable Gaszuführvorrichtung beinhaltet, während
des Betriebs beurteilt werden, ob die variable Gaszuführvorrichtung
anomal arbeitet oder nicht.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnung
-
1 ist
ein Konfigurationsdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
2 ein
Steuerblockdiagramm, das eine Steuerkonfiguration des in 1 gezeigten
Brennstoffzellensystems zeigt;
-
3 ist
ein Diagramm, das eine I-Term-Berechnungsfunktion des Steuerblockdiagramms
zeigt, das in 2 gezeigt ist;
-
4 ist
ein Diagramm, das eine Lern-Term-Berechnungsfunktion des Steuerblockdiagramms
zeigt, das in 2 gezeigt ist; und
-
5 ist
ein Zeitdiagramm, das eine Anomalitätsbeurteilung einer
Einspritzdüse in dem Brennstoffzellensystem zeigt, das
in 1 gezeigt ist.
-
Beste Art und Weise zum Ausführen
der Erfindung
-
Nachstehend
erfolgt eine Beschreibung eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnung. In der vorliegenden Ausführungsform
wird ein Beispiel beschrieben, in dem die vorliegende Erfindung
auf ein an einem Fahrzeug montiertes Leistungserzeugungssystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs
(einer mobilen Karosserie) angewendet wird, doch das Brennstoffzellensystem
gemäß der vorliegenden Erfindung kann auf einer
beliebigen anderen Art von mobiler Karosserie (einem Roboter, einem
Schiff, einem Flugzeug oder dergleichen) als dem Brennstoffzellenfahrzeug
montiert werden. Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung kann auf ein stationäres Leistungserzeugungssystem
zur Verwendung als eine Leistungserzeugungsausrüstung zu
Bauzwecken (Wohnbau und Bauwesen oder dergleichen) angewendet werden.
-
Zunächst
erfolgt eine Beschreibung einer Konfiguration des Brennstoffzellensystems 1 gemäß der
Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf 1.
-
Wie
in 1 gezeigt, beinhaltet das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der
vorliegenden Ausführungsform eine Brennstoffzelle 10,
die eine Zufuhr von Reaktionsgasen (eines Oxidationsgases und eines
Brenngases) aufnimmt, um eine Leistung zu erzeugen, und beinhaltet
zudem ein Oxidationsgas-Leitungssystem 2, das der Brennstoffzelle 10 Luft
als das Oxidationsgas zuführt, ein Wasserstoffgas-Leitungssystem 3,
das der Brennstoffzelle 10 ein Wasserstoffgas als das Brenngas
zuführt, eine Steuerung (einen Steuerabschnitt, ein Anomalitätsbeurteilungsabschnitt) 4,
die das gesamte System integral steuert, und dergleichen.
-
Die
Brennstoffzelle 10 weist eine Stapelstruktur auf, in der
eine vorbestimmte Anzahl von einheitlichen Zellen zum Aufnehmen
der Zufuhr der Reaktionsgase, um eine Leistung aufgrund einer elektrochemischen
Reaktion zu erzeugen, übereinander geschichtet ist. Die
durch die Brennstoffzelle 10 erzeugte Leistung wird einer
Leistungssteuerungseinheit (PCU) 11 zugeführt.
Die PCU 11 beinhaltet einen Wechselrichter, einen Gleichstromwandler
und dergleichen, die zwischen der Brennstoffzelle 10 und
einem Fahrmotor 12 angeordnet sind. Außerdem ist ein
Stromsensor 13, der einen Strom während der Leistungserzeugung
erfasst, an der Brennstoffzelle 10 angeordnet.
-
Das
Oxidationsgas-Leitungssystem 2 beinhaltet einen Luftzuführkanal 21,
der das Oxidationsgas (Luft), das durch eine Befeuchtungseinrichtung 20 befeuchtet
wird, der Brennstoffzelle 10 zuführt, einen Luftabführkanal 22,
der ein Oxidations-Abgas (oxidizing off gas), das von der Brennstoffzelle 10 abgeführt
wird, zur Befeuchtungseinrichtung 20 führt, und
einen Abgaskanal 23 zum Führen des Oxidationsgases
von der Befeuchtungseinrichtung 21. Der Luftzuführkanal 21 ist
mit einem Kompressor 24 versehen, der das Oxidationsgas
aus der atmosphärischen Luft aufnimmt, um das unter Druck
stehende Gas der Befeuchtungseinrichtung 20 zuzuführen.
-
Das
Wasserstoffgas-Leitungssystem 3 beinhaltet einen Wasserstofftank 30 als
eine Brennstoffzuführquelle, die das Wasserstoffgas mit
einem hohen Druck (z. B. 70 MPa) speichert, einen Wasserstoffzuführkanal
(einen Zuführkanal) 31 als einen Brennstoffzuführkanal
zum Zuführen des Wasserstoffgases des Wasserstofftanks 30 zur
Brennstoffzelle 10, und einen Zirkulationskanal 32 zum
Rückführen eines Wasserstoff- Abgases (hydrogen
off gas), das von der Brennstoffzelle 10 abgeführt
wird, zum Wasserstoffzuführkanal 31.
-
Es
ist zu beachten, dass anstelle des Wasserstofftanks 30,
eine Reformierungseinrichtung, die ein wasserstoffreiches reformiertes
Gas aus einem Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis bildet, und
ein Hochdruck-Gastank, der das durch diese Reformierungseinrichtung
gebildete reformierte Gas in einen Hochdruckzustand versetzt, um
den Druck aufzubauen, als die Brennstoffzuführquelle verwendet
werden können. Alternativ kann ein Tank mit einer wasserstoffspeichernden
Legierung als die Brennstoffzuführquelle verwendet werden.
-
Der
Wasserstoffzuführkanal 31 ist mit einem Absperrventil 33,
das die Zufuhr des Wasserstoffgases aus dem Wasserstofftank 30 blockiert
oder freigibt, einem Regler 34, der den Druck des Wasserstoffgases
anpasst, und einer Einspritzdüse (einer variablen Gaszuführvorrichtung) 35 versehen.
Auf einer Seite stromauf der Einspritzdüse 35 sind
jeweils ein Primärdrucksensor 41 und ein Temperatursensor 42 angeordnet,
die einen Druck und eine Temperatur des Wasserstoffgases in dem
Wasserstoffzuführkanal 31 erfassen.
-
Ferner
sind auf einer stromabwärtigen Seite der Einspritzdüse 35,
bei der es sich um eine Seite stromauf eines Zusammenführungsbereichs
des Wasserstoffzuführkanals 31 und des Zirkulationskanals 32 handelt,
ein Sekundärdrucksensor 43, der einen Druck des
Wasserstoffgases in dem Wasserstoffzuführkanal 31 erfasst,
und ein Überdruckventil 44 angeordnet, das in
einem Fall geöffnet wird, wo ein vorbestimmter Betriebsdruck
in dem Wasserstoffzuführkanal 31 erreicht wird.
-
Der
Regler 34 ist eine Vorrichtung, die einen Druck auf der
Seite stromauf (einen Primärdruck) des Reglers an einen
zuvor eingestellten Sekundärdruck anpasst. In der vorliegenden
Ausführungsform wird ein mechanisches Druckreduktionsventil,
das den Primärdruck reduziert, als der Regler 34 verwendet. Als
eine Struktur des mechanischen Druckreduktionsventils kann eine
bekannte Struktur verwendet werden, die ein Gehäuse aufweist,
das eine Gegendruckkammer und eine Druckanpassungskammer beinhaltet, die über
eine Membran ausgebildet wird und in der der Primärdruck
aufgrund eines Gegendrucks der Gegendruckkammer auf einen vorbestimmten
Druck reduziert wird, um in der Druckanpassungskammer einen Sekundärdruck
zu bilden.
-
Bei
der Einspritzdüse 35 handelt es sich um ein elektromagnetisch
angetriebenes Ein-Aus-Ventil, in dem ein Ventilkörper direkt
mit einer elektromagnetischen Antriebskraft in einer vorbestimmten
Antriebszeitspanne angetrieben wird und von einem Ventilsitz entfernt
angeordnet ist, wodurch eine Gasströmungsrate und ein Gasdruck
angepasst werden können. Die Einspritzdüse 35 beinhaltet
den Ventilsitz mit einer Strahlöffnung, die einen gasförmigen Brennstoff,
wie z. B. das Wasserstoffgas, ausstößt, und beinhaltet
zudem einen Düsenkörper, der das Brenngas der
Strahlöffnung zuführt und zu dieser führt,
und den Ventilkörper, der in diesem Düsenkörper
aufgenommen und gehalten wird, um sich in einer axialen Richtung
(einer Gasströmungsrichtung) in Bezug auf diesen Düsenkörper
zu bewegen, um die Strahlöffnung zu öffnen und
zu schließen.
-
In
der vorliegenden Ausführungsform wird der Ventilkörper
der Einspritzdüse 35 durch eine Magnetspule angetrieben,
bei der es sich um eine elektromagnetische Antriebsvorrichtung handelt,
und ein pulsartiger Erregerstrom, der dieser Magnetspule zugeführt
wird, kann ein- oder ausgeschaltet werden, um einen Öffnungsbereich
der Strahlöffnung in zwei Stufen, mehreren Stufen oder
stufenlos zu schalten.
-
Es
ist zu beachten, dass der Ventilkörper der Einspritzdüse 35 geöffnet
oder geschlossen wird, um die Gasströmungsrate anzupassen,
und der Druck des Gases, das der stromabwärtigen Seite
der Einspritzdüse 35 zugeführt wird,
gegenüber dem Gasdruck auf der Seite stromauf der Einspritzdüse 35 reduziert
wird, so dass die Einspritzdüse 35 als ein Druckanpassungsventil
(ein Druckreduktionsventil, ein Regler) interpretiert werden kann.
In der vorliegenden Ausführungsform kann die Einspritzdüse
außerdem als ein variables Druckanpassungsventil interpretiert
werden, das in der Lage ist, einen Anpassungsbetrag (einen Reduktionsbetrag)
des Gasdrucks stromauf der Einspritzdüse 35 zu ändern,
so dass der Druck einen angeforderten Druck in einem vorbestimmten
Druckbereich gemäß einer Gasanforderung erfüllt.
-
Wie
vorstehend beschrieben, passt die Einspritzdüse 35 einen
Gaszustand (eine Gasströmungsrate, eine molekulare Wasserstoffkonzentration,
einen Gasdruck) auf der Seite stromauf des Wasserstoffzuführkanals 31 an,
um das Gas der stromabwärtigen Seite zuzuführen,
und die Einspritzdüse entspricht der variablen Gaszuführvorrichtung
in der vorliegenden Erfindung.
-
Es
ist zu beachten, dass in der vorliegenden Ausführungsform,
die in 1 gezeigt ist, die Einspritzdüse 35 auf
der Seite stromauf eines Verbindungssbereichs A1 des Wasserstoffzuführkanals 31 und
des Zirkulationskanals 32 angeordnet ist. Wie durch die
gestrichelten Linien in 1 gezeigt, ist außerdem
in einem Fall, in dem eine Mehrzahl von Wasserstofftanks 30 als
eine Brennstoffzuführquelle verwendet wird, die Einspritzdüse 35 auf
der stromabwärtigen Seite eines Bereichs (eines Wasserstoffgas-Verbindungsbereichs
A2) angeordnet, in dem die von den Wasserstofftanks 30 zugeführten
Wasserstoffgase zusammengeführt werden.
-
Der
Zirkulationskanal 32 ist über einen Gas-Flüssigkeitsseparator 36 und
ein Abgasabführventil 37 mit einem Abführkanal 38 verbunden.
Der Gas-Flüssigkeitsseparator 36 fängt
einen Wassergehalt aus dem Wasserstoffgas auf. Das Abgasabführventil 37 arbeitet
basierend auf einem Befehl von der Steuerung 4, um aus
dem System den durch den Gas-Flüssigkeitsseparator 36 aufgefangenen
Wassergehalt und das Wasserstoff-Abgas, das Verunreinigungen im
Zirkulationskanal 32 beinhaltet, abzuführen (abzuleiten).
-
Außerdem
ist der Zirkulationskanal 32 mit einer Wasserstoffpumpe 39 versehen,
die das Wasserstoff-Abgas im Zirkulationskanal 32 unter
Druck setzt, um das Gas dem Wasserstoffzuführkanal 31 zuzuführen.
Es ist zu beachten, dass das Wasserstoff-Abgas, das über
das Abgasabführventil 37 und den Abführkanal 38 abgeführt
wird, durch eine Verdünnungseinrichtung 40 verdünnt
wird, um mit dem Oxidations-Abgas im Zirkulationskanal 32 zusammengeführt
zu werden.
-
Die
Steuerung 4 erfasst einen Betätigungsbetrag einer
Beschleunigungsbetriebsvorrichtung (eines Fahrpedals oder dergleichen),
das in einem Fahrzeug angeordnet ist, und empfängt Steuerinformationen,
wie z. B. einen angeforderten Beschleunigungswert (z. B. einen angeforderten
Leistungserzeugungsbetrag aus einer Lastvorrichtung, wie z. B. dem
Fahrmotor 12), um Betriebsabläufe von verschiedenen
Einheiten in dem System zu steuern.
-
Es
ist zu beachten, dass es sich bei der Lastvorrichtung um eine allgemeine
Leistungsverbrauchsvorrichtung handelt, die neben dem Fahrmotor 12 eine
Hilfsvorrichtung (z. B. einen Motor des Kompressors 24,
die Wasserstoffpumpe 39 oder eine Kühlpumpe oder
dergleichen), die zum Betreiben der Brennstoffzelle 10 erforderlich
ist, ein Stellglied zur Verwendung in einer beliebigen Art von Vorrichtung (einem
Getriebe, einer Radsteuerung, einer Lenkvorrichtung, einer Aufhängungsvorrichtung
oder dergleichen), die dem Fahrbetrieb des Fahrzeugs zugeordnet
ist, eine Luftaufbereitungsvorrichtung (eine Klimaanlage) eines
Fahrgastraums, eine Beleuchtung oder Audiosysteme beinhalten kann.
-
Die
Steuerung 4 besteht aus einem Computersystem (nicht gezeigt).
Ein solches Computersystem besteht aus einer CPU, einem ROM, einem RAM,
einer HDD, einer Eingabe-/Ausgabeschnittstelle, einer Anzeige und
dergleichen, und die CPU liest eine beliebige Art von Steuerungsprogramm,
das im ROM aufgezeichnet ist, um eine gewünschte Berechnung
auszuführen, wodurch verschiedene Verarbeitungen und Steuerungen
wie eine Regelung mit geschlossenem Regelkreis (feedback control)
oder eine Ableitsteuerung ausgeführt werden, wie später
beschrieben wird.
-
Wie
in 2 gezeigt ist, berechnet insbesondere die Steuerung 4 eine
Strömungsrate (die nachstehend als der „Wasserstoffverbrauch” bezeichnet wird)
des Wasserstoffgases, das durch die Brennstoffzelle 10 verbraucht
wird, basierend auf einem erzeugten Stromwert der Brennstoffzelle 10,
der durch den Stromsensor 13 erfasst wird (eine Brennstoffverbrauchs-Berechnungsfunktion:
B1). In der vorliegenden Ausführungsform wird der Wasserstoffverbrauch für
eine jeweilige Berechnungszeitspanne der Steuerung 4 durch
Verwendung einer spezifischen Berechnungsformel, die eine Beziehung zwischen
dem erzeugten Stromwert und dem Wasserstoffverbrauch anzeigt, berechnet
und aktualisiert.
-
Die
Steuerung 4 berechnet außerdem einen Soll-Druckwert
des Wasserstoffgases, das der Brennstoffzelle 10 in einer
stromabwärtigen Position der Einspritzdüse 35 zugeführt
werden soll, basierend auf dem erzeugten Stromwert der Brennstoffzelle 10 (eine
Soll-Druckwert-Berechnungsfunktion: B2). In der vorliegenden Ausführungsform
wird der Soll-Druckwert für eine jeweilige Berechnungszeitspanne
der Steuerung 4 durch Verwendung eines spezifischen Kennfelds
berechnet, das eine Beziehung zwischen dem erzeugten Stromwert und
dem Soll-Druckwert anzeigt.
-
Ferner
berechnet die Steuerung 4 eine Abweichung zwischen dem
berechneten Soll-Druckwert und einem Druckwert (einem erfassten
Druckwert) in der stromabwärtigen Position der Einspritzdüse 35, der
durch den Drucksensor 43 erfasst wird (eine Druckdifferenz-Berechnungsfunktion:
B3). Um die berechnete Abweichung zu reduzieren, berechnet dann
die Steuerung 4 einen proportionalen Term (den P-Term)
als eine Regelungskorrektur-Strömungsrate (feedback correction)
(eine P-Term-Berechnungsfunktion: B4) und berechnet einen integralen
Term (den I-Term) (eine I-Term-Berechnungsfunktion: B5).
-
In
der I-Term-Berechnungsfunktion B5 der vorliegenden Ausführungsform
wird ein Regelungswert (feedback value) (der nachstehend als der FB-Wert Δ%
bezeichnet wird), der einer Abweichung ΔP entspricht, die
durch die Druckdifferenz-Berechnungsfunktion B3 in Bezug auf einen
Prozentsatz berechnet wird, unter Verwendung eines vorbestimmten
Kennfelds oder dergleichen (eine durchgehende Linie in 3)
erhalten, und ferner ist ein temporaler kumulativer Wert ∫Δ%dt
(eine gestrichelte Linie von 3), der
durch Integrieren des FB-Werts Δ% in die Zeit erhalten
wird, der I-Term. In der vorliegenden Ausführungsform wird
somit die Regelungskorrektur-Strömungsrate (ein Korrekturterm)
unter Verwendung einer Soll-Nachführ-PI-Steuerung berechnet.
-
Außerdem
integriert die Steuerung 4 den I-Term, der durch die I-Term-Berechnungsfunktion
B5 berechnet wird, nur dann gesondert für eine jeweils von
der Einspritzdüse 35 geforderte Ausstoßströmungsrate
als eine angeforderte Gasmenge, die der Brennstoffzelle 10 zugeführt
werden soll, wenn ein Betriebszustand der Brennstoffzelle 10 vorbestimmte Bedingungen
(zulässige Lernbedingungen) erfüllt, um einen
Lern-Term zu berechnen, der als ein Lernwert des I-Terms in einem
Speicher oder dergleichen aktualisierbar gespeichert ist (eine Lernterm-Berechnungsfunktion:
B51). Dieser Lern-Term bildet den Korrekturterm in der PI-Steuerung
zusammen mit dem I-Term.
-
In
der Lernterm-Berechnungsfunktion B51 der vorliegenden Ausführungsform
wird der I-Term nur dann, wenn der Betriebszustand der Brennstoffzelle 10 die
vorbestimmten zulässigen Lernbedingungen erfüllt,
für eine jeweilige der Lernzonen A bis F integriert, die
durch Dividieren der von der Einspritzdüse 35 geforderten
Ausstoßströmungsrate gebildet werden, die durch
die Abszisse von 4 entlang einer gestrichelten
Linie für eine jeweilige vorbestimmte Strömungsrate
angezeigt und zuvor im Speicher gespeichert wird. Diese integrierten
Werte (Punkte in 4), die für eine jeweilige
dieser Lernzonen A bis F berechnet werden, werden unter Verwendung
einer Interpolation oder Extrapolation interpoliert, um den Lern-Term
für eine jeweilige angeforderter Ausstoßströmungsrate
zu erhalten.
-
Es
ist zu beachten, dass, anstatt den integrierten Wert des I-Terms,
der für eine jeweilige der Lernzonen A bis F von den Lernzonen
A bis F, die in 4 gezeigt sind, berechnet wird,
zu interpolieren, der Lern-Term auf einen konstanten Wert in den Lernzonen
A bis F eingestellt werden kann.
-
Außerdem
handelt es sich bei den vorbestimmten zulässigen Lernbedingungen
um Bedingungen, die beispielsweise basierend auf dem erzeugten Strom
der Brennstoffzelle 10 eingestellt werden. In der vorliegenden
Ausführungsform wird in einem Fall, in dem der erzeugte
Strom der Brennstoffzelle 10 größer als
ein vorbestimmter erzeugter Stromwert ist, bei dem ein Einfluss
einer ungültigen Ausstoßzeit relativ gering ist,
beur teilt, dass die zulässigen Lernbedingungen erfüllt
sind, wenn eine Veränderung des erzeugten Stroms innerhalb
eines vorbestimmten Bereichs stabil ist.
-
Ein
Wert des Lern-Terms wird berechnet, indem angenommen wird, dass
ein Konstruktionswert der Einspritzdüse 35 100%
beträgt, und diesem Konstruktionswert der integrierte Wert
des I-Terms hinzuaddiert wird, der sowohl ein negativer als auch
ein positiver Wert sein kann. In einem Fall, in dem der Wert von
einem vorbestimmten Normalbereich (einem Konstruktionsfehler-Zulässigkeitsbereich)
abweicht, in dem die Ober- und Untergrenzen durch einen ersten Anomalitäts-Schwellwert
(z. B. 140%) und einen zweiten Anomalitätswert (z. B. 60%)
von 4 definiert sind, in anderen Worten, in einem
Fall, in dem der integrierte Wert des I-Terms von dem vorbestimmten
Normalbereich (z. B. einem Bereich von ±40%) abweicht,
wird beurteilt, dass die Einspritzdüse 35 anomal
arbeitet.
-
Dann
addiert die Steuerung 4 den P-Term einem addierten Wert
des Wasserstoffverbrauchs und einem Undichtigkeitsbetrag, der in
der Brennstoffzelle 10 erzeugt wird, hinzu, um die von
der Einspritzdüse 35 geforderte Ausstoßströmungsrate
zu erhalten. Die Steuerung 4 addiert hingegen sowohl den
I-Term als auch den Lern-Term, um die Terme als einen Integralterm
zu integrieren (eine Integralterm-Integrationsfunktion: B52), und
multipliziert mit diesem addierten Wert die von der Einspritzdüse 35 geforderte Ausstoßströmungsrate,
um eine Ausstoßströmungsrate der Einspritzdüse 35 (eine
Ausstoßströmungsraten-Berechnungsfunktion B7)
zu berechnen.
-
Die
Steuerung kann hier eine Vorwärtskopplungskorrektur-Strömungsrate
berechnen, die einer Abweichung zwischen dem Soll-Druckwert, der
zuvor in der stromabwärtigen Position der Einspritzdüse 35 berechnet
wurde, und dem gegenwärtig berechneten Soll-Druckwert entspricht,
(eine Vorwärtskopplungskorrektur-Strömungsraten-Berechnungsfunktion), addiert
diese Vorwärtskopplungskorrektur-Strömungsrate
zu dem addierten Wert (= der Wasserstoffverbrauch + der Undichtigkeitsbetrag
+ der P-Term) und multipliziert diesen addierten Wert mit dem I-Term,
um die Ausstoßströmungsrate der Einspritzdüse 35 zu
berechnen.
-
In
einem derartigen Fall handelt es sich bei der Vorwärtskopplungskorrektur-Strömungsrate
um eine Fluktuation (eine Soll-Druckfluktuations-korrigierende Strömungsrate)
der Wasserstoffgas-Strömungsrate aufgrund einer Veränderung
des Soll-Druckwerts. Die Vorwärtskopplungskorrektur-Strömungsrate
wird für eine jeweilige Berechnungszeitspanne der Steuerung 4 durch
Verwendung einer spezifischen Berechnungsformel aktualisiert, die
eine Beziehung zwischen der Abweichung des Soll-Druckwerts und der
Vorwärtskopplungskorrektur-Strömungsrate anzeigt.
-
Bei
dem Undichtigkeitsbetrag handelt es sich um einen Betrag des Wasserstoffgases,
der einen Oxidationsgaskanal (eine Kathodenseite) von einem Brenngaskanal
(einer Anodenseite) in der Brennstoffzelle 10 über
einen elektrolytischen Film durchdringt, und wird in der vorliegenden
Ausführungsform basierend auf dem Druckwert (dem durch
den Drucksensor 43 erfassten Druckwert) des Wasserstoffgases
in der stromabwärtigen Position der Einspritzdüse 35 berechnet
(eine Undichtigkeitsbetrags-Berechnungsfunktion: B6) berechnet.
Insbesondere der Undichtigkeitsbetrag wird unter Verwendung eines
spezifischen Kennfelds berechnet, das eine Beziehung zwischen dem
Druckwert des Wasserstoffgases in der stromabwärtigen Position
der Einspritzdüse 35 und dem Undichtigkeitsbetrag
anzeigt.
-
Die
Steuerung 4 berechnet hingegen eine statische Strömungsrate
stromauf der Einspritzdüse 35 basierend auf einem
Gaszustand stromauf der Einspritzdüse 35 (dem
Druck des Wasserstoffgases, der durch den Drucksensor 41 erfasst
wird, und die Temperatur des Wasserstoffgases, die durch den Temperatursensor 42 erfasst
wird) (eine statische Strömungsraten-Berechnungsfunktion:
B8). In der vorliegenden Ausführungsform wird die statische Strömungsrate
für eine jeweilige Berechnungszeitspanne der Steuerung 4 durch
Verwendung einer spezifischen Berechnungsformel berechnet und aktualisiert,
die eine Beziehung zwischen dem Druck und der Temperatur des Wasserstoffgases
und der statischen Strömungsrate auf der Seite stromauf
der Einspritzdüse 35 anzeigt.
-
Die
Steuerung 4 multipliziert einen Wert mit einer Antriebszeitspanne
der Einspritzdüse 35, der durch Dividieren der
Ausstoßströmungsrate der Einspritzdüse 35 durch
die statische Strömungsrate erhalten wird (eine Last-Berechnungsfunktion:
B9) erhalten wird, um eine Grund-Ausstoßzeit der Einspritzdüse 35 zu
berechnen (eine Grund-Ausstoßzeit-Berechnungsfunktion:
B10). Die Steuerung addiert zudem eine ungültige Ausstoßzeit,
die später beschrieben wird, zu dieser Grund-Ausstoßzeit,
um die Gesamt-Ausstoßzeit der Einspritzdüse 35 zu
berechnen (eine Gesamt-Ausstoßzeit-Berechnungsfunktion:
B12).
-
Bei
dieser Antriebszeitspanne handelt es sich um eine gestufte (Ein/Aus),
wellenformartige Zeitspanne, die einen Öffnungs-/Schließzustand
der Strahlöffnung der Einspritzdüse 35 anzeigt,
und in der vorliegenden Ausführungsform stellt die Steuerung 4 die
Antriebszeitspanne auf einen konstanten Wert ein.
-
Bei
der ungültigen Ausstoßzeit handelt es sich um
eine Zeit, die ab einer Zeit notwendig ist, wenn die Einspritzdüse 35 ein
Steuersignal von der Steuerung 4 empfängt, bis
zu einer Zeit, wenn der Ausstoßvorgang tatsächlich
gestartet wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird
die ungültige Ausstoßzeit für eine jeweilige
Berechnungszeitspanne der Steuerung 4 durch Verwendung
eines spezifischen Kennfelds berechnet und aktualisiert, das eine Beziehung
zwischen dem Druck des Wasserstoffgases auf der Seite stromauf der
Einspritzdüse 35, der Grund-Ausstoßzeit
der Einspritzdüse 35 und der ungültigen
Ausstoßzeit (eine ungültige Ausstoßzeit-Berechnungsfunktion:
B11) anzeigt.
-
Dann
gibt die Steuerung 4 ein Steuersignal zur Realisierung
der Gesamt-Ausstoßzeit der Einspritzdüse 35 aus,
die durch das vorstehende Verfahren berechnet wird, um eine Gasausstoßzeit
und eine Gasausstoß-Zeitsteuerung der Einspritzdüse 35 zu steuern,
wodurch eine Strömungsrate und ein Druck des Wasserstoffgases,
das der Brennstoffzelle 10 zugeführt werden soll,
angepasst werden. Wie vorstehend beschrieben, funktioniert die Steuerung 4 der vorliegenden
Ausführungsform nicht nur als ein Steuerabschnitt der vorliegenden
Erfindung, sondern auch als ein Anomalitätsbeurteilungsabschnitt.
-
Wenn
abgesehen davon eine Anomalität wie ein Betriebsdefekt
oder ein Ausfall in der Einspritzdüse 35 erzeugt
wird, nimmt eine Abweichung zwischen der von der Einspritzdüse 35 geforderten
Ausstoßströmungsrate und einer tatsächlichen
Ausstoßströmungsrate von der Einspritzdüse 35 zu.
In einem Fall, wo diese Abweichung zunimmt, beispielsweise bei Überschreitung
eines zulässigen Konstruktionsfehlers der Einspritzdüse 35,
wird ein übermäßig hoher Druck auf ein
System ausgeübt, das ein Element, wie z. B. die Brennstoffzelle 10,
darstellt, die auf der stromabwärtigen Seite von der Einspritzdüse 35 angeordnet
ist.
-
Um
die Entstehung eines solchen Defekts zu verhindern, überwacht
das Brennstoffzellensystem 1 der vorliegenden Ausführungsform
während eines Betriebs der Brennstoffzelle 10 (während
der Zuführung der Reaktionsgase zur Brennstoffzelle 10),
basierend auf dem Wert des Lern-Terms, den die Steuerung 4 in
der Lern-Term-Berechnungsfunktion B51 berechnet hat, ob die Einspritzdüse 35 anomal
arbeitet oder nicht. Insbesondere wird, wie vorstehend beschrieben,
beurteilt, ob der Wert des Lern-Terms größer als
der erste Anomalitätsschwellwert oder kleiner als der zweite
Anomalitätsschwellwert ist. In einem Fall, wo jedes das
Beurteilungsergebnis positiv ist, wird beurteilt, dass in der Einspritzdüse 35 eine
Anomalität vorliegt.
-
Anschließend
erfolgt unter Bezugnahme auf ein Zeitdiagramm von 5 eine
Beschreibung der Anomalitätsbeurteilung der Einspritzdüse 35.
-
In
dem Zeitdiagramm von 5 zeigt (a) einen Zustand, in
dem die Einspritzdüse 35 normal oder anomal arbeitet
(die Ist-Ausstoßströmungsrate größer
oder kleiner als die Anforderung ist), zeigt (b) eine Öffnungs-/Schließungsanweisung
in Bezug auf die Einspritzdüse 35, zeigt (c) einen
Auslassdruck der Einspritzdüse 35, die durch den
sekundären Drucksensor 43 erfasst wird, zeigt
(d), ob die zulässigen Lernbedingungen des I-Terms erfüllt
sind, zeigt (e) eine Veränderung des Werts des Lern-Terms
im Zeitverlauf, zeigt (f) einen Befehlswert der Ausstoßzeit
in Bezug auf die Einspritzdüse 35, und zeigt (g) ein
Einspritzdüsen-Anomaliäts-Flag, das anzeigt, dass
eine Anomalität in dem Wert des Lern-Terms erzeugt wird,
d. h. dass eine Anomalität in der Einspritzdüse 35 entsteht.
-
Wie
in 5(d) gezeigt ist, beurteilt die
Steuerung 4, ob der Betriebszustand der Brennstoffzelle 10 die
zulässigen Lernbedingungen des I-Terms in einer vorbestimmten
Steuerzeitspanne erfüllt oder nicht. Wenn ein Ergebnis
dieser Lernzulässigkeitsbeurteilung negativ ist (4:
Nein) (vor Zeit t1), wird der Lernvorgang des I-Terms, d. h. die
Aktualisierung des Werts des Lern-Terms verhindert.
-
In
der vorliegenden Ausführungsform arbeitet die Einspritzdüse 35 vor
der Zeit t1 in einem Normalbereich (einem zulässigen Konstruktionsfehlerbereich).
In einem solchen Fall, wie in 5(c) gezeigt
ist, wiederholt der Auslassdruck der Einspritzdüse 35 eine
vertikale Fluktuation basierend auf der Öffnungs-/Schließanweisung
in Bezug auf die Einspritzdüse 35, wie in 5(b) gezeigt ist. Zu diesem Zeitpunkt
wird der Ausstoßzeitbefehlswert der Einspritzdüse 35,
wie in 5(f) gezeigt ist, so gesteuert,
dass die Ausstoßzeit der Einspritzdüse 35 während
der Ventilöffnung jedesmal konstant ist.
-
Wenn
hingegen der Betriebszustand der Brennstoffzelle 10 die
zulässigen Lernbedingungen des I-Terms (nach der Zeit t1)
erfüllt, d. h., wenn das Ergebnis der zulässigen
Lernbeurteilung bejahend ist (4: ja),
wird der Wert des Lern-Terms, wie in 5(e) gezeigt
ist, für eine jeweils von der Einspritzdüse 35 geforderte
Ausstoßmenge aktualisiert (erlernt) (4).
-
In
einem Fall, wo der Wert des Lern-Terms während dieser Aktualisierung
(während des Lernens) (Zeit t2) den ersten Anomalitätsschwellwert überschreitet
oder den zweiten Anomalitätsschwellwert unterschreitet,
beurteilt die Steuerung 4 dann, dass die Ausstoßströmungsrate
der Einspritzdüse 35 eine Anomalität
aufweisen könnte, und senkt den Ausstoßzeit-Befehlswert
der Einspritzdüse 35 gegenüber dem vorhergehenden
Befehlswert, wie in 5(f) gezeigt ist.
Es ist zu beachten, dass 5 einen Fall zeigt, in dem der
Wert des Lern-Terms den zweiten Anomalitätsschwellwert
unterschreitet.
-
Anschließend überwacht
die Steuerung 4 kontinuierlich den Wert des Lern-Terms,
wie in 5(e) gezeigt ist. In einem
Fall, wo eine vorbestimmte Bereitschafts zeit T1 verstreicht, ohne
den Wert des Lern-Terms zwischen den ersten Anomalitätsschwellwert
und den zweiten Anomalitätsschwellwert (den Normalbereich)
zurückzusetzen, beurteilt die Steuerung schließlich,
dass die Ausstoßströmungsrate der Einspritzdüse 35 eine
Anomalität aufweist, und setzt das Einspritzdüsen-Anomalitätsflag von „AUS” auf „EIN”,
wie in 5(g) gezeigt ist.
-
Gemäß dem
Brennstoffzellensystem 1 der vorstehend erwähnten
Ausführungsform wird selbst in einem Fall, wo die Anomalität
in der Einspritzdüse 35 entsteht und die Ausstoßströmungsrate
den zulässigen Bereich des Konstruktionsfehlers oder dergleichen
gegenüber einem Fall, wo die Einspritzdüse 35 normal
arbeitet, über- oder unterschreitet, das Lernergebnis des
I-Terms in der PI-Steuerung, das nur anhand der zulässigen
Lernbedingungen in der vorbestimmten Steuerzeitspanne aktualisiert
(erlernt) wird, durch die Steuerung 4 überwacht,
d. h. basierend auf dem entsprechend aktualisierten Wert des Lern-Terms
dahingehend überwacht, ob die Anomalität entsteht
oder nicht. Daher kann die Anomalität der Einspritzdüse 35 während
des Betriebs ohne Verzögerung beurteilt werden.
-
Wenn
außerdem das Einspritzdüsen-Anomalitätsflag „EIN” ist,
kann die Steuerung 4 eine Einspritzdüsenanomalitätsbeurteilungs-Nachverarbeitung
ausführen, z. B. führt die Steuerung das Steuern
des Öffnungs-/Schließantriebs der Einspritzdüse 35 während
des Betriebs der Brennstoffzelle 10 einmal oder mehrmals
aus, um die Anomalität der Einspritzdüse 35 zu
beseitigen, oder sie stoppt den Betrieb der Brennstoffzelle 10.
Darüber hinaus kann dieses Flag von der Steuerung 4 während
Instandhaltungsarbeiten oder dergleichen gelesen werden, um einen
Ausfallverlauf zu bestätigen, der anzeigt, dass die Anomalität
in der Einspritzdüse 35 entstanden ist, so dass
eine Handhabung, wie z. B. ein Auswechseln oder Reparieren der Einspritzdüse 35, rasch
ausgeführt werden kann.
-
Zusammenfassung
-
Brennstoffzellensystem
-
Ein
Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine
Brennstoffzelle 10, einen Zuführkanal 31,
der der Brennstoffzelle 10 ein von der Brennstoffzuführquelle 30 zugeführtes
Brenngas zuführt, eine variable Gaszuführvorrichtung 35,
die einen Gaszustand auf einer Seite stromauf dieses Zuführkanals 31 anpasst,
um das Gas einer stromabwärtigen Seite zuzuführen,
einen Steuerabschnitt 4, der eine PI-Steuerung eines Gaszuführbefehlsbetrags
in Bezug auf die variable Gaszuführvorrichtung 35 ausführt,
und einen Anomaliätsbeurteilungsabschnitt 4, um
zu beurteilen, ob die variable Gaszuführvorrichtung 35 anomal
arbeitet. Die Steuerung 4 verwendet als einen Teil eines
Korrekturterms der PI-Steuerung einen Lern-Term, der gebildet wird,
indem ein I-Term nur dann integriert wird, wenn ein Betriebszustand
der Brennstoffzelle 10 vorbestimmte zulässige
Lernbedingungen erfüllt. Der Anomalitätsbeurteilungsabschnitt 4 beurteilt
basierend auf diesem Lern-Term, ob die variable Gaszuführvorrichtung 35 anomal
arbeitet oder nicht.
-
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
-