DE112008002735B4

DE112008002735B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112008002735B4
Application number: DE112008002735.8T
Authority: DE
Inventors: Norimasa Ishikawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2014-07-31
Anticipated expiration: 2028-10-30
Also published as: US8257876B2; WO2009063749A1; CN101803090A; DE112008002735T5; JP4882972B2; US20100255397A1; CN101803090B; JP2009123593A

Abstract

Brennstoffzellensystem (1) aufweisend: eine Brennstoffzelle (10); eine Brennstoffzuführpassage (31), durch welche ein Brenngas, das von einer Brennstoffzuführquelle (30) zugeführt wird, der Brennstoffzelle (10) zugeführt wird; ein An/Aus-Ventil (35), welches eine Gasdurchflussrate und/oder einen Gasdruck an der Stromaufwärtsseite der Brennstoffzuführpassage (31) regelt, um das Gas deren Stromabwärtsseite zuzuführen; und eine Steuereinrichtung (4) zum Ansteuern und Steuern des An/Aus-Ventils (35), so dass ein Brenngasdruck auf der Stromabwärtsseite des An/Aus-Ventils (35) einen Zieldruck annimmt, wobei das Brennstoffzellensystem (1) weiter aufweist: ein Brennstoffzirkulationssystem, das aus einem Teil einer Brennstoffzuführpassage (31) an der Stromabwärtsseite von dem Verbindungsteil (A1), der Brenngaspassage, die in der Brennstoffzelle (10) ausgebildet ist, und einer Zirkulationspassage (32) zum Rückführen des Gases, das von der Brennstoffzelle (10) an die Brennstoffzuführpassage (31) abgeführt wird, besteht, wobei die Steuereinrichtung (4) einen virtuellen Wert, der für die Berechnung einer Korrektur-Durchflussrate des An/Aus-Ventils (35) verwendet wird, basierend auf einem Brenngasverbrauch in der Brennstoffzelle und einem Druck des Brenngases auf der Stromaufwärtsseite des An/Aus-Ventils (35), berechnet; eine Vorwärtskopplungsverstärkung (GFF) durch Multiplizieren mit einem vorbestimmten Koeffizienten, eines Werts, der durch Dividieren eines Volumens des Brennstoffzirkulationssystems durch den virtuellen Wert erhalten wird, berechnet; ...

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
Hintergrund der Erfindung
Derzeit ist ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen und in der Praxis angewandt worden, welches eine Brennstoffzelle umfasst, welche ein zugeführtes Reaktionsgas (ein Brenngas und ein Oxidationsgas) zum Erzeugen einer Leistung aufnimmt. Solch ein Brennstoffzellensystem wird mit einer Brennstoffzuführpassage zum Zuführen des Brenngases, das von einer Brennstoffzuführquelle, wie einem Wasserstofftank, zugeführt wird, zur Brennstoffzelle, vorgesehen.
In den vergangenen Jahren ist eine Technologie vorgeschlagen worden, in welcher ein Einspritzventil in einer Brennstoffzuführpassage des Brennstoffzellensystems angebracht wird, wobei der Betriebszustand des Einspritzventils gesteuert wird, um den Druck des Brenngases in der Brennstoffzuführpassage zu regeln (siehe z. B. die japanische Offenlegungsschrift mit der Nummer JP 2007-165163 A ). Das Einspritzventil ist vom Typ eines elektromagnetischen An/Aus-Ventils, in welchem ein Ventilkörper direkt mit einer elektromagnetischen Antriebskraft für einen vorbestimmten Ansteuerzyklus angesteuert wird, und von einem Ventilsitz abgehoben wird, wodurch ein Gaszustand (eine Gasdurchflussrate oder ein Gasdruck) geregelt werden kann. Eine Steuervorrichtung steuert den Ventilkörper des Einspritzventils an, um den Einspritzzeitpunkt und die Einspritzzeit des Brenngases zu steuern, wodurch die Durchflussrate oder der Druck des Brenngases gesteuert werden kann. Hierzu sind im Stand der Technik noch die JP 2007-157385 A , die WO 2007-093868 A2 und die DE 101 46 067 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Problem das durch die Erfindung zu lösen ist
In einem konventionellen Brennstoffzellensystem, das in der obenstehenden JP 2007-165163 A offenbart ist, wird der Befehlswert der Einspritzdurchflussrate eines Einspritzventils unter Verwendung eines Rückkopplungskorrekturwertes oder eines Vorwärtskopplungskorrekturwertes berechnet, und der Betrieb des Einspritzventils basierend auf dem Befehlswert gesteuert. Wenn in solch einem konventionellen Brennstoffzellensystem jedoch der Befehlswert der Einspritzdurchflussrate berechnet wird, wird ein „Ansteuerzyklus” nicht mit berücksichtigt. Daher kann eine Fluktuation des Antriebszyklus zu einem größeren Druck-Einstellungsfehler führen (ein Unterschied zwischen einem erfassten Druckwert in der Umgebung des Einspritzventils und ein vorbestimmter Ziel-Druckwert steigen an.
Die vorliegende Erfindung ist hinsichtlich einer solchen Situation entwickelt worden, wobei es eine Aufgabe der Erfindung ist, ein Reaktionsverhalten in einem Brennstoffzellensystem, in welchem ein An/Aus-Ventil, wie z. B. ein Einspritzventil, in einer Brennstoffzuführpassage angebracht ist, durch Vermindern eines Druck-Einstellfehlers zu verbessern, der auftritt, wenn der Ansteuerzyklus des An/Aus-Ventil fluktuiert bzw. schwankt.
Mittel zum Lösen des Problems
Zum Lösen der obenstehenden Aufgabe sieht ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem vor, wobei das Brennstoffzellensystem aufweist: eine Brennstoffzelle; eine Brennstoffzuführpassage, durch welche ein Brenngas, das von einer Brennstoffzuführquelle zugeführt wird, der Brennstoffzelle zugeführt wird; ein An/Aus-Ventil, welches eine Gasdurchflussrate und/oder einen Gasdruck an der Stromaufwärtsseite der Brennstoffzuführpassage regelt, um das Gas der Stromabwärtsseite der Brennstoffzuführpassage zuzuführen; und eine Steuereinrichtung zum Ansteuern und Steuern des An/Aus-Ventils, so dass ein Brenngasdruck auf der Stromabwärtsseite des An/Aus-Ventils einen Zieldruck annimmt, wobei das Brennstoffzellensystem weiter aufweist: ein Brennstoffzirkulationssystem, das aus einem Teil einer Brennstoffzuführpassage an der Stromabwärtsseite von dem Verbindungsteil, der Brenngaspassage, die in der Brennstoffzelle ausgebildet ist, und einer Zirkulationspassage zum Rückführen des Gases, das von der Brennstoffzelle an die Brennstoffzuführpassage abgeführt wird, besteht, wobei die Steuereinrichtung einen virtuellen Wert, der für die Berechnung einer Korrektur-Durchflussrate des An/Aus-Ventils verwendet wird, basierend auf einem Brenngasverbrauch in der Brennstoffzelle und einem Druck des Brenngases auf der Stromaufwärtsseite des An/Aus-Ventils, berechnet; eine Vorwärtskopplunsgverstärkung durch Multiplizieren, mit einem vorbestimmten Koeffizienten, eines Werts, der durch Dividieren eines Volumens des Brennstoffzirkulationssystems durch den virtuellen Wert erhalten wird, berechnet; eine Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussrate durch Multiplizieren einer Druckabweichung, welche die Differenz zwischen dem Druck des Brenngases auf der Stromabwärtsseite des An/Aus-Ventils und dem Zieldruck ist, mit der Vorwärtskopplunsgverstärkung, berechnet; eine Gasinjektionsdurchflussrate des An/Aus-Ventils durch Addieren einer Rückkopplungskorrektur-Durchflussrate zur Reduzierung der Druckabweichung und der Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussrate auf den Brenngasverbrauch in der Brennstoffzelle, und das An/Aus-Ventil basierend auf einem Steuersignal entsprechend der Gasinjektionsdurchflussrate ansteuert und steuert.
Wenn ein solcher Aufbau bereitgestellt wird, wird der Befehlswert bzw. das Steuersignal entsprechend der Gasinjektionsdurchflussrate des An/Aus-Ventils unter Verwendung der Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussrate, die basierend auf dem Ansteuerzyklus des An/Aus-Ventils berechnet wird, korrigiert, wodurch das An/Aus-Ventil basierend auf dem Steuersignal angesteuert und gesteuert werden kann. Daher kann das Steuersignal entsprechend der Gasinjektionsdurchflussrate unter Berücksichtigung des fluktuierenden Ansteuerzyklus des An/Aus-Ventils korrigiert werden, wodurch ein Druck-Einstellfehler vermindert werden kann (ein Unterschied bzw. eine Differenz zwischen einem erfassten Druckwert in der Umgebung des An/Aus-Ventils und einem vorbestimmten Zieldruckwert können vermindert werden) und ein Reaktionsverhalten verbessert werden kann.
Ferner ist es möglich, die Steuereinrichtung zum Berechnen der Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussrate basierend auf dem Ansteuerzyklus des An/Aus-Ventils, dem Volumen des Brennstoffzirkulationssystems und einer Gastemperatur in dem Brennstoffzirkulationssystem bereitzustellen.
Darüber hinaus kann in dem Brennstoffzellensystem ein Einspritzventil als das An/Aus-Ventil bereitgestellt sein.
Auswirkung der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung verbessert ein Reaktionsverhalten in einem Brennstoffzellensystem, in welchem ein An/Aus-Ventil, wie z. B. ein Einspritzventil, in einer Brennstoffzuführpassage angebracht ist, durch Vermindern eines Druck-Einstellfehlers, der auftritt, wenn der Ansteuerzyklus des An/Aus-Ventils fluktuiert bzw. schwankt.
Beste Art und Weise der Ausführung der Erfindung
Hiernach wird ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezüglich der Figuren beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Beispiel beschrieben, in welchem die vorliegende Erfindung in einem an einem Fahrzeug montierten Leistungserzeugungssystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs Anwendung findet.
Zuerst wird ein Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezüglich 1 und 2 beschrieben.
Wie in 1 dargestellt, weist das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Brennstoffzelle 10 auf, welche ein zugeführtes Reaktionsgas (ein Oxidationsgas und ein Brenngas) aufnimmt, um eine Leistung zu erzeugen, und darüber hinaus ein Oxidationsgasleitungssystem, welches der Brennstoffzelle 10 Luft als das Oxidationsgas zuführt; ein Wasserstoffgasleitungssystem 3, welches der Brennstoffzelle 10 Wasserstoffgas als das Brenngas zuführt; und eine Steuervorrichtung 4, welche im Allgemeinen das gesamte System steuert.
Die Brennstoffzelle 10 weist eine Stapelstruktur auf, in welcher die benötigte Anzahl von Einheitszellen gestapelt ist, wobei jede der Einheitszellen konfiguriert ist, das zugeführte Reaktionsgas aufzunehmen und Leistung zu erzeugen. Die Leistung, die durch die Brennstoffzelle 10 erzeugt wird, wird der Leistungssteuereinheit (PCU, Englisch: Power Control Unit) 11 zugeführt. Die PCU 11 weist einen Inverter, einen DC-DC Wandler und dergleichen auf, die zwischen der Brennstoffzelle 10 und einem Traktionsmotor 12 angebracht sind. Darüber hinaus ist ein Stromsensor 13 an der Brennstoffzelle 10 angebaut, welcher einen Strom während der Leistungserzeugung erfasst.
Das Oxidationsgasleitungssystem 2 weist eine Luftzuführpassage 21 auf, welche der Brennstoffzelle 10 das Oxidationsgas (die Luft), die durch einen Luftbefeuchter bzw. Befeuchter 20 befeuchtet wird, zuführt; eine Luftabführpassage 22, welche ein Oxidationsabgas, das von der Brennstoffzelle 10 abgeführt wird, zu dem Befeuchter 20 leitet; und eine Auslasspassage 23, welche das Oxidationsabgas vom Befeuchter 20 nach außen leitet. Die Luftzuführpassage 21 ist mit einem Kompressor 24 vorgesehen, welcher das Oxidationsgas aus der Umgebung aufnimmt, um das Gas unter Druck zum Befeuchter 20 weiterzuleiten.
Das Wasserstoffgasleitungssystem 3 weist einen Wasserstofftank 30 als eine Brennstoffzuführquelle auf, in welchem das Wasserstoffgas mit einem hohen Druck (z. B. 70 MPa) aufgenommen wird; eine Wasserstoffzuführpassage 31 als eine Brennstoffzuführpassage zum Zuführen des Wasserstoffgases des Wasserstofftanks zu der Brennstoffzelle 10, und eine Zirkulationspassage 32 zum Rückführen eines Wasserstoffabgases, das von der Brennstoffzelle 10 abgeführt wird, zu der Wasserstoffzuführpassage 31. Es ist zu beachten, dass anstelle des Wasserstofftanks 30 auch ein Reformer, welcher ein wasserstoffreiches bzw. mit Wasserstoff angereichertes reformiertes Gas aus einem auf Kohlenwasserstoff basierenden Brennstoff erzeugt, und ein Hochdruckgastank, welcher das reformierte Gas, das durch den Reformer ausgebildet wird, in einen Hochdruckzustand bringt, um den Druck zu akkumulieren bzw. anzuheben, als eine Brennstoffzuführquelle bereitgestellt sein kann. Darüber hinaus kann ein Tank mit einem Wasserstoffgemisch als die Brennstoffzuführquelle bereitgestellt sein.
Die Wasserstoffzuführpassage 31 ist mit einem Sperrventil 33, welches das Zuführen des Wasserstoffgases von dem Wasserstofftank 30 sperrt bzw. verbietet oder erlaubt, einem Regler 34, welcher den Druck des Wasserstoffgases regelt, und einem Einspritzventil 35 vorgesehen. Darüber hinaus sind ein Hauptdrucksensor 41 und ein Temperatursensor 42 zum Erfassen des Druckes und der Temperatur des Wasserstoffgases in der Wasserstoffzuführpassage 31 an der Stromaufwärtsseite des Einspritzventils 35 vorgesehen. Darüber hinaus ist an der Stromabwärtsseite des Einspritzventils 35 und an der Stromaufwärtsseite eines Verbindungsteils zwischen der Wasserstoffzuführpassage 31 und der Zirkulationspassage 32 ein Sekundärdrucksensor 43 vorgesehen, welcher den Druck des Wasserstoffgases in der Wasserstoffzuführpassage erfasst.
Der Regler 34 ist eine Vorrichtung, welche den Stromaufwärtsdruck (den Hauptdruck) des Reglers auf einen voreingestellten Sekundärdruck regelt. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Druckreduzierungsventil eines mechanischen Typs zum Vermindern des Hauptdrucks als der Regler 34 bereitgestellt. Als ein Aufbau des Druckreduzierungsventils des mechanischen Typs kann ein bekannter Aufbau bereitgestellt werden, welcher ein Gehäuse hat, das eine Hinterdruckkammer, eine Druckeinstellkammer und eine Membran bzw. ein Membranquetschventil als Abschottung zwischen den Kammern aufweist. Der Hauptdruck wird auf einen vorbestimmten Druck in der Druckeinstellkammer durch einen Hinterdruck in der Hinterdruckkammer vermindert, wodurch ein Sekundärdruck erhalten wird. In der vorliegenden Ausführungsform, wie in 1 dargestellt, sind zwei Regler 34 an der Stromaufwärtsseite des Einspritzventils 35 angebaut, wodurch der Druck an der Stromaufwärtsseite des Einspritzventils 35 effektiv vermindert werden kann. Dies kann maßgeblich das Design bzw. die Konstruktion der mechanischen Struktur (den Ventilkörper, das Gehäuse, die Passage, die Ansteuervorrichtung oder dergleichen) des Einspritzventils 31 verbessern. Darüber hinaus ist es möglich zu verhindern, dass der Ventilkörper des Einspritzventils 35 sich nicht einfach aufgrund des Anstiegs eines Differenzdruckes zwischen dem Stromaufwärtsdruck und dem Stromabwärtsdruck des Einspritzventils 35 bewegen kann, da der Stromaufwärtsdruck des Einspritzventils 35 vermindert werden kann. Daher kann der variable Druck-Einstellbereich des Stromabwärtsdruckes des Einspritzventils 35 vergrößert werden, und die Minderung des Reaktionsverhaltens des Einspritzventils 35 unterdrückt werden.
Das Einspritzventil 35 ist ein An/Aus Ventil eines elektromagnetischen Ansteuertyps, in welchem ein Ventilkörper direkt mit einer elektromagnetischen Ansteuerkraft für einen vorbestimmten Ansteuerzyklus angesteuert und von einem Ventilsitz abgehoben wird, wodurch eine Gasdurchflussrate oder ein Gasdruck geregelt werden kann. Das Einspritzventil 35 weist den Ventilsitz mit einem Einspritzloch bzw. einer Einspritzöffnung auf, welche ein Brenngas, wie zum Beispiel ein Wasserstoffgas, einspritzt, und zudem einen Düsenkörper, welcher das Brenngas dem Einspritzloch bzw. der Einspritzöffnung zuführt bzw. an diese leitet, wobei der Ventilkörper in Axialrichtung (einer Gasdurchflussrichtung) bezüglich des Düsenkörpers aufgenommen und gehalten wird, um die Einspritzöffnung zu öffnen oder zu schließen. Der Ventilkörper des Einspritzventils 35 wird zum Beispiel durch einen Elektromagneten angesteuert, und ein Impulsartiger Erregerstrom, der an dem Elektromagneten anzulegen ist, wird an- oder ausgeschaltet, wodurch der Öffnungsbereich der Einspritzöffnung in zwei oder mehrere Stufen geschaltet werden kann. Die Gasinjektionszeit bzw. Gasinjektionsdauer und der Gasinjektionszeitpunkt des Einspritzventils werden gemäß einer Steuersignalausgabe von der Steuervorrichtung 4 gesteuert, wodurch die Durchflussrate und der Druck des Wasserstoffgases mit hoher Genauigkeit gesteuert werden. In dem Einspritzventil 35 wird das Ventil (der Ventilkörper und der Ventilsitz) direkt angesteuert, um durch die elektromagnetische Antriebskraft bzw. Ansteuerkraft geöffnet oder geschlossen zu werden, wobei der Ansteuerzyklus des Ventils auf ein hohes Reaktionslevel gesteuert werden kann, wodurch das Ventil ein hohes Reaktionsverhalten bzw. ein hohes Reaktionsvermögen aufweist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist zu beachten, wie in 1 dargestellt, dass das Einspritzventil 35 an der Stromaufwärtsseite von einem Verbindungsteil A1 zwischen der Wasserstoffzuführpassage 31 und der Zirkulationspassage 32 angebracht ist. Darüber hinaus ist das Einspritzventil 35 an der Stromabwärtsseite von einem Teil (ein Wasserstoffgasverbindungsteil A2) angebracht, an dem die Wasserstoffgase, die von den Wasserstofftanks 30 zugeführt werden, sich miteinander verbinden bzw. vermengen, wenn, wie durch die gestrichelten Linien in 1 dargestellt, eine Mehrzahl von Wasserstofftanks 30 als die Brennstoffzuführquelle bereitgestellt sind.
Die Zirkulationspassage 32 ist mit einer Abführpassage 38 über einen Gas-Flüssigkeit-Separator 36 und ein Gas/Wasser-Abführventil 37 verbunden. Der Gas-Flüssigkeit-Separator 36 sammelt Wasser aus dem Wasserstoffabgas. Das Gas/Wasser-Abführventil 37 arbeitet gemäß einem Befehl von der Steuervorrichtung 4, um das Wasser, das durch den Gas-Flüssigkeit-Separator 36 gesammelt wird, und das Wasserstoffabgas einschließlich Unreinheiten in der Zirkulationspassage 32 nach außen abzuführen (spülen). Darüber hinaus ist die Zirkulationspassage 32 mit einer Wasserstoffpumpe 39 vorgesehen, welche das Wasserstoffabgas in der Zirkulationspassage 32 komprimiert bzw. verdichtet, um das Gas an eine Wasserstoffzuführpassage-31-Seite weiterzuleiten. Das Wasserstoffabgas, das durch das Gas/Wasser-Abführventil 37 und die Abführpassage 38 abgeführt wird, wird durch einen Verdünner 40 verdünnt, um dem Oxidationsabgas in der Auslasspassage 23 zugeführt zu werden. Es ist zu beachten, dass ein Brennstoffzirkulationssystem in der vorliegenden Erfindung aus einem Teil einer Wasserstoffzuführpassage 31 an der Stromabwärtsseite von dem Verbindungsteil A1, der Brenngaspassage, die in dem Separator der Brennstoffzelle 10 ausgebildet ist, und der Zirkulationspassage 32 besteht.
Die Steuervorrichtung 4 umfasst den Betätigungsbetrag des Beschleunigungsbetätigungselements (ein Gaspedal oder dergleichen), das in einem Fahrzeug vorgesehen ist, und empfängt Steuerinformationen wie zum Beispiel einen Beschleunigungsnachfragewert bzw. Beschleunigungsbedarfswert (z. B. einen Bedarfsleistungserzeugungsbetrag von einer Lastvorrichtung wie dem Traktionsmotor 12), um die Betätigungen von verschiedenen Vorrichtungen in dem System zu steuern. Es ist zu beachten, dass zusätzlich zu dem Traktionsmotor 12 die Lastvorrichtungen im Allgemeinen Hilfsvorrichtungen (z. B. einen Motor für den Kompressor 24, einen Motor für die Wasserstoffpumpe 39, etc.) umfassen, die zum Betätigen bzw. Betreiben der Brennstoffzelle 10 notwendig sind. Aktoren, die in verschiedenen Vorrichtungen (einer Gangsschaltung, einer Radsteuervorrichtung, einer Lenkvorrichtung, einer Fahrwerksvorrichtung, etc.) in Verbindung mit dem Fahren des Fahrzeugs verwendet werden; und Leistungsverbrauchsvorrichtungen, die eine Luftklimatisierungsvorrichtung (die Klimaanlage), eine Beleuchtungseinrichtung, ein Audiosystem und dergleichen für einen Fahrzeuginsassenraum umfassen.
Die Steuervorrichtung 4 ist ein Computersystem (nicht dargestellt). Solch ein Computersystem umfasst eine CPU, ein ROM, ein RAM, eine HDD, eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle, ein Display und dergleichen, wobei die CPU verschiedene Steuerprogramme, die im ROM gespeichert sind, liest und ausführt, um verschiedene Steueroperationen auszuführen.
Insbesondere, wie in 2 dargestellt, berechnet die Steuervorrichtung 4 den Betrag bzw. den Wert (hiernach als „Wasserstoffverbrauch” bezeichnet) des Wasserstoffgases, das durch die Brennstoffzelle 10 verbraucht wird, basierend auf dem Betriebszustand (einem Stromwert während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 10, der durch den Stromsensor 13 erfasst wird) der Brennstoffzelle 10 (eine Brennstoffverbrauchsberechnungsfunktion: B1). In der vorliegenden Ausführungsform wird der Wasserstoffverbrauch für jeden Berechnungszyklus der Steuervorrichtung 4 unter Verwendung einer speziellen bzw. spezifischen Berechnungsformel, die eine Beziehung zwischen dem Stromwert und dem Wasserstoffverbrauch der Brennstoffzelle 10 anzeigt, berechnet und aktualisiert.
Darüber hinaus berechnet die Steuervorrichtung 4 den Zieldruckwert (einen Zielgaszuführdruck auf die Brennstoffzelle 10) des Wasserstoffgases an einer Stromabwärtsposition des Einspritzventils 35 basierend auf dem Betriebszustand (dem Stromwert während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 10, der durch den Stromsensor 13 erfasst wird) der Brennstoffzelle 10 (eine Zieldruckwertberechnungsfunktion: B2). In der vorliegenden Ausführungsform wird der Zieldruckwert in einer Position, die mit bzw. über dem Sekundärdrucksensor vorgesehen ist, für bzw. bei jedem Berechnungszyklus der Steuervorrichtung 4 unter Verwendung eines spezifischen Kennfeldes, das die Beziehung zwischen dem Stromwert und dem Zieldruckwert der Brennstoffzelle 10 anzeigt, berechnet und aktualisiert.
Zudem berechnet die Steuervorrichtung 4 eine Rückkopplungskorrektur-Durchflussrate basierend auf einer Differenz zwischen dem berechneten Zieldruckwert und dem Druckwert (dem erfassten Druckwert) der Stromabwärtsposition des Einspritzventils 35, die durch den Sekundärdrucksensor 43 erfasst wird (eine Rückkopplungskorrektur-Durchflussratenberechnungsfunktion: B3). Die Rückkopplungskorrektur-Durchflussrate ist eine Wasserstoffgasdurchflussrate, die dem Wasserstoffverbrauch hinzuzufügen ist, um den Unterschied bzw. die Differenz zwischen dem Zieldruckwert und dem erfassten Druckwert zu vermindern. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Rückkopplungskorrektur-Durchflussrate für jeden Berechnungszyklus der Steuervorrichtung 4 unter Verwendung einer Rückkopplungssteuerregel eines PI-Typs berechnet und aktualisiert.
Zusätzlich berechnet die Steuervorrichtung 4 den Ansteuerzyklus des Einspritzventils 35 basierend auf dem berechneten Wasserstoffverbrauch und dem Hauptdruckwert (dem Druck des Wasserstoffgases an der Stromaufwärtsseite des Einspritzventils 35), der durch den Hauptdrucksensor 41 erfasst wird (eine Hauptansteuerzyklusberechnungsfunktion: B4). Hierbei ist der Ansteuerzyklus die Periode bzw. die Dauer eines gestuften (An/Aus) Kurvenverlaufs, der den Öffnungs-/Schließzustand der Einspritzöffnung des Einspritzventils 35 anzeigt. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Ansteuerzyklus bei jedem Berechnungszyklus der Steuervorrichtung 4 unter Verwendung eines spezifischen Kennfeldes, das eine Beziehung zwischen dem Wasserstoffverbrauch, dem Hauptdruckwert und dem Ansteuerzyklus anzeigt, berechnet und aktualisiert. Es ist zu beachten, dass der hierbei berechnete Ansteuerzyklus ein virtueller Wert ist, der ausschließlich für die Berechnung der Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussrate verwendet wird.
Darüber hinaus berechnet die Steuervorrichtung 4 die Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussrate basierend auf dem berechneten Ansteuerzyklus, einer Druckabweichung (der Differenz zwischen dem Zieldruckwert und dem erfassten Druckwert) (eine Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussratenberechnungsfunktion: B5). In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Vorwärtskopplungsverstärkung G_FF entsprechend dem Ansteuerzyklus oder dergleichen unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet, wobei die Vorwärtskopplungsverstärkung G_FF mit der Druckabweichung multipliziert wird, um die Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussrate zu berechnen. Die Steuervorrichtung 4 funktioniert in der vorliegenden Erfindung als Steuereinrichtung. [Gleichung 1]
Dabei ist in der obenstehenden Gleichung k (= 1/101,3) ein Einheitsumwandlungskoeffizient. Darüber hinaus ist in der obenstehenden Gleichung V (L) das Volumen des Brennstoffzirkulationssystems (das Volumen eines Raums, der aus einem Teil der Wasserstoffzuführpassage 31 an der Stromabwärtsseite von dem Verbindungsteil A1, der Brenngaspassage, die im Separator der Brennstoffzelle 10 ausgebildet ist, und der Zirkulationspassage 32, besteht). Darüber hinaus ist in der obenstehenden Gleichung T (°C) der ermittelte Wert der Temperatur des Wasserstoffgases an der Stromabwärtsseite des Einspritzventils 35 in der Wasserstoffzuführpassage 31. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Temperatur des Wasserstoffgases an der Stromabwärtsseite des Einspritzventils 35 basierend auf der Temperatur des Wasserstoffgases ermittelt, die durch den Temperatursensor 42 erfasst wird. Darüber hinaus ist in der obenstehenden Gleichung Tcycle (ms) der Berechnungsansteuerzyklus des Einspritzventils 35. Wenn die Vorwärtskopplung G_FF, die durch eine solche Gleichung berechnet wird, bereitgestellt wird, kann der erfasste Druckwert für einen bestimmten Ansteuerzyklus des Einspritzventils 35 nahe an den Zieldruckwert gebracht werden.
Außerdem berechnet die Steuervorrichtung 4 die Stromaufwärts-Statische-Durchflussrate des Einspritzventils 35 basierend auf dem Stromaufwärts-Gaszustand (dem Druck des Wasserstoffgases, der durch den Hauptdrucksensor 41 erfasst wird, und der Temperatur des Wasserstoffgases, die durch den Temperatursensor 42 erfasst wird) des Einspritzventils (eine Statische-Durchflussrate-Berechnungsfunktion: B6). In der vorliegenden Ausführungsform wird die statische Durchflussrate für jeden Berechnungszyklus der Steuervorrichtung unter Verwendung einer spezifischen bzw. speziellen Berechnungsformel, die eine Beziehung zwischen dem Druck, der Temperatur und der statischen Durchflussrate des Wasserstoffgases an der Stromaufwärtsseite des Einspritzventils 35 anzeigt, berechnet und aktualisiert.
Außerdem berechnet die Steuervorrichtung 4 die ungültige Einspritzzeit des Einspritzventils 35 basierend auf dem Stromaufwärts-Gaszustand (dem Druck und der Temperatur des Wasserstoffgases) des Einspritzventils 35 und einer angelegten Spannung (eine Ungültige-Einspritzzeit-Berechnungsfunktion: B7). Hierbei ist die ungültige Einspritzzeit eine Zeit, die von einer Zeit, wenn das Einspritzventil 35 das Steuersignal von der Steuervorrichtung 4 empfängt, bis zu einer Zeit, wenn die Einspritzung tatsächlich gestartet wird, benötigt wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird die ungültige Einspritzzeit für jeden Berechnungszyklus der Steuervorrichtung 4 unter Verwendung eines spezifischen Kennfeldes, das eine Beziehung zwischen dem Druck, der Temperatur des Wasserstoffgases, der angelegten Spannung und der ungültigen Einspritzzeit an der Stromaufwärtsseite des Einspritzventils 35 anzeigt, berechnet und aktualisiert.
Darüber hinaus addiert die Steuervorrichtung 4 den Wasserstoffverbrauch, die Rückkopplungskorrektur-Durchflussrate und die Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussrate zusammen, um die Einspritzdurchflussrate des Einspritzventils 35 zu berechnen (eine Einspritzdurchflussrate-Berechnungsfunktion: B8). Zudem berechnet die Steuervorrichtung 4 den Ansteuerzyklus des Einspritzventils 35 basierend auf der Einspritzdurchflussrate des Einspritzventils 35 und des Hauptdruckwertes, der durch den Hauptdrucksensor 41 erfasst wird (eine Sekundär-Ansteuerzyklus-Berechnungsfunktion: B9). In der vorliegenden Ausführungsform wird der Ansteuerzyklus für jeden Berechnungszyklus der Steuervorrichtung 4 unter Verwendung eines spezifischen Kennfeldes, das eine Beziehung zwischen der Einspritzdurchflussrate, dem Hauptdruckwert und dem Ansteuerzyklus des Einspritzventils 35 anzeigt, berechnet und aktualisiert.
Darüber hinaus multipliziert die Steuervorrichtung 4 einen Wert, der durch Teilen der Einspritzdurchflussrate des Einspritzventils 35 durch die statische Durchflussrate erhalten wird, mit dem Ansteuerzyklus des Einspritzventils 35, um die Grundeinspritzzeit des Einspritzventils 35 zu berechnen, und addiert die Grundeinspritzzeit und die ungültige Einspritzzeit zusammen, um die gesamte Einspritzzeit des Einspritzventils 35 zu berechnen (eine Gesamte-Einspritzzeit-Berechnungsfunktion: B10). Anschließend gibt die Steuervorrichtung 4 das Steuersignal zum Realisieren der gesamten Einspritzzeit des Einspritzventils 35, die durch das obenstehende Verfahren berechnet wird, aus, steuert die Gasinjektionszeit und den Gasinjektionszeitpunkt des Einspritzventils 35 und regelt die Durchflussrate und den Druck des Wasserstoffgases, das der Brennstoffzelle zuzuführen ist.
Als nächstes wird das Betriebsverfahren des Brennstoffzellensystems 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform bezüglich eines Flussdiagramms von 3 beschrieben.
Während des gewöhnlichen Betriebs bzw. Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems 1 wird das Wasserstoffgas vom Wasserstofftank 30 durch die Wasserstoffzuführpassage 31 zu einem Brennstoffpol der Brennstoffzelle 10 zugeführt, und die befeuchtete und geregelte Luft durch die Luftzuführpassage 21 zu einem Oxidationspol der Brennstoffzelle 10, wodurch eine Leistung erzeugt wird. In diesem Fall wird die Leistung (die angeforderte Leistung), die von der Brennstoffzelle 10 abzuführen ist, durch die Steuervorrichtung 4 berechnet, und die Beträge des Wasserstoffgases und der Luft entsprechend dem Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle 10 zugeführt. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Druck des Wasserstoffgases, das der Brennstoffzelle 10 während eines solchen Normalbetriebs zugeführt wird, mit hoher Genauigkeit gesteuert.
Das heißt, die Steuervorrichtung 4 des Brennstoffzellensystems 1 erfasst zuerst den Stromwert während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 10 unter Verwendung des Stromsensors 13 (ein Stromerfassungsschritt: S1). Anschließend berechnet die Steuervorrichtung 4 den Betrag des Wasserstoffgases (den Wasserstoffverbrauch), der durch die Brennstoffzelle 10 verbraucht wird, basierend auf dem Stromwert, der durch den Stromsensor 13 erfasst wird (ein Brennstoff-Verbrauch-Berechnungsschritt: S2).
Anschließend berechnet die Steuervorrichtung 4 den Zieldruckwert des Wasserstoffgases an der Stromabwärtsposition des Einspritzventils 35 basierend auf dem Stromwert, der durch den Stromsensor 13 erfasst wird (ein Zieldruckwert-Berechnungsschritt: S3). Darüber hinaus erfasst die Steuervorrichtung 4 den Druckwert an der Stromabwärtsposition des Einspritzventils 35 unter Verwendung des Sekundärdrucksensors 43 (ein Druckwert-Erfassungsschritt: S4). Anschließend berechnet die Steuervorrichtung 4 die Rückkopplungskorrektur-Durchflussrate basierend auf der Differenz (der Druckabweichung) zwischen dem Zieldruckwert, der im Zieldruckwertberechnungsschritt S3 berechnet wird, und dem Druckwert (dem erfassten Druckwert), der im Druckwerterfassungsschritt S4 erfasst wird (ein Rückkopplungskorrektur-Durchflussrate-Berechnungsschritt: S5).
Darüber hinaus berechnet die Steuervorrichtung 4 den Ansteuerzyklus (den virtuellen Wert) des Einspritzventils 35 basierend auf dem Wasserstoffverbrauch, der in dem Brennstoffverbrauch-Berechnungsschritt S2 berechnet wird, und den Hauptdruckwert (dem Stromaufwärtsdruck des Wasserstoffgases des Einspritzventils 35), der durch den Hauptdrucksensor 41 erfasst wird, und berechnet die Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussrate basierend auf dem berechneten Ansteuerzyklus, der Druckabweichung und dergleichen (ein Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussrate-Berechnungsschritt: S6).
Anschließend addiert die Steuervorrichtung 4 den Wasserstoffverbrauch, der im Brennstoffverbrauch-Berechnungsschritt S2 berechnet wird, die Rückkopplungskorrektur-Durchflussrate, die im Rückkopplungskorrektur-Durchflussrate-Berechnungsschritt S5 berechnet wird, und die Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussrate, die im Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussrate-Berechnungsschritt S6 berechnet wird, zusammen, um die Einspritzdurchflussrate des Einspritzventils 35 zu berechnen (ein Einspritz-Durchflussrate-Berechnungsschritt: S7).
Als nächstes berechnet die Steuervorrichtung 4 die Stromaufwärts-Statische-Durchflussrate des Einspritzventils 35 basierend auf dem Hauptdruck, der durch den Hauptdrucksensor 41 erfasst wird, und die Stromaufwärtstemperatur des Wasserstoffgases des Einspritzventils 35, die durch den Temperatursensor 42 erfasst wird (ein Statische-Durchflussrate-Berechnungsschritt: S8). Darüber hinaus berechnet die Steuervorrichtung 4 den Ansteuerzyklus des Einspritzventils 35 basierend auf der Einspritzdurchflussrate des Einspritzventils 35, die in dem Einspritzdurchflussrate-Berechnungsschritt S7 berechnet wird, und den Hauptdruckwert, der durch den Hauptdrucksensor erfasst wird (ein Ansteuerzyklus-Berechnungsschritt: S9). Anschließend multipliziert die Steuervorrichtung 4 den Wert, der durch Teilen der Einspritzdurchflussrate des Einspritzventils 35 durch die statische Durchflussrate erhalten wird, mit dem Ansteuerzyklus des Einspritzventils 35, um die Grundeinspritzzeit des Einspritzventils 35 zu berechnen (ein Grundeinspritzzeit-Berechnungsschritt: S10).
Nachfolgend berechnet die Steuervorrichtung 4 die ungültige Einspritzzeit des Einspritzventils 35 basierend auf dem Stromaufwärtsdruck des Wasserstoffgases des Einspritzventils 35, der durch den Hauptdrucksensor erfasst wird, die Stromaufwärtstemperatur des Wasserstoffgases des Einspritzventils 35, die durch den Temperatursensor 42 erfasst wird, und die angelegte Spannung (ein Ungültige-Einspritzzeit-Berechnungsschritt: S11). Anschließend addiert die Steuervorrichtung 4 die Grundeinspritzzeit des Einspritzventils 35, die im Grundeinspritzzeit-Berechnungsschritt S10 berechnet wird, und die ungültige Einspritzzeit, die im Ungültige-Einspritzzeit-Berechnungsschritt S11 berechnet wird, zusammen, um die gesamte Einspritzzeit des Einspritzventils 35 zu berechnen (ein Gesamte-Einspritzzeit-Berechnugnsschritt: S12).
Danach gibt die Steuervorrichtung 4 das Steuersignal entsprechend der gesamten Einsritzzeit des Einspritzventils 35, die in dem Gesamte-Einspritzzeit-Berechnungsschritt S12 berechnet wird, aus, steuert die Gasinjektionszeit und den Gasinjektionszeitpunkt des Einspritzventils 35, und regelt die Durchflussrate und den Druck des Wasserstoffgases, das der Brennstoffzelle 10 zuzuführen ist.
Im Brennstoffzellensystem 1 gemäß der obenstehend beschriebenen Ausführungsform wird der Befehlswert bzw. das Steuersignal entsprechend der Gasinjektionsdurchflussrate des Einspritzventils 35 basierend auf der Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussrate, die basierend auf dem Ansteuerzyklus des Einspritzventils 35 berechnet wird, korrigiert, wobei das Einspritzventil 35 basierend auf dem Befehlswert angesteuert und gesteuert werden kann. Daher kann der Befehlswert der Gasinjektionsdurchflussrate hinsichtlich der Fluktuation bzw. der Schwankung des Ansteuerzyklus korrigiert werden, selbst wenn der Ansteuerzyklus des Einspritzventils 35 fluktuiert bzw. schwankt, wodurch der Druck-Einstellfehler vermindert werden kann (die Differenz zwischen dem erfassten Druckwert an der Stromabwärtsseite des Einspritzventils 35 und dem vorbestimmten Zieldruckwert kann vermindert werden), wobei ein Reaktionsverhalten bzw. ein Reaktionsvermögen verbessert werden kann.
Es ist zu beachten, dass in der obenstehenden Ausführungsform ein Beispiel beschrieben worden ist, in welchem das Wasserstoffgasleitungssystem 3 des Brennstoffzellensystems 1 mit der Zirkulationspassage 32 vorgesehen wird, die Brennstoffzelle 10 jedoch auch direkt mit der Abführpassage 38 verbunden werden kann, und somit die Zirkulationspassage 32 eingespart werden kann. Selbst wenn ein solcher Aufbau (ein „Sackgassensystem”) bereitgestellt wird, berechnet die Steuervorrichtung 4 die Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussrate gemäß dem Ansteuerzyklus des Einspritzventils 35 auf die gleiche Weise wie in der obenstehenden Ausführungsform, wodurch ähnliche Funktionen und Effekte im Vergleich zu denen in der obenstehenden Ausführungsform erhalten werden können.
Darüber hinaus ist in der obenstehenden Ausführungsform ein Beispiel beschrieben worden, in welchem die Zirkulationspassage 32 mit einer Wasserstoffpumpe 39 vorgesehen ist, wobei auch eine Ausstoßvorrichtung bzw. ein Ejektor statt der Wasserstoffpumpe 39 bereitgestellt werden kann. Weiterhin ist in der obenstehenden Ausführungsform ein Beispiel beschrieben worden, in welchem die Wasserstoffzuführpassage 31 mit dem Sperrventil 33 und dem Regler 34 vorgesehen ist, wobei das Einspritzventil 35 als ein variables Druckregelventil funktioniert und zudem als Sperrventil zum Sperren bzw. Schließen der Zufuhr des Wasserstoffgases, wodurch das Sperrventil 33 oder der Regler 34 nicht gezwungenermaßen vorgesehen werden müssen. Daher können das Sperrventil 33 und der Regler 34 eingespart werden, wenn das Einspritzventil 35 bereitgestellt wird, wodurch die Verkleinerung und eine Kostenreduzierung des Systems erreicht werden können.
Zudem ist in der obenstehenden Ausführungsform ein Beispiel beschrieben worden, in welchem die Rückkopplungskorrektur-Durchflussrate unter Verwendung der Rückkopplungssteuerregel des PI-Typs berechnet wird, wobei die Rückkopplungskorrektur-Durchflussrate auch unter Verwendung einer anderen Steuerregel eines Servotyps (z. B. Rückkopplungssteuerregel eines PID-Typs) berechnet werden kann.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie in einer Ausführungsform obenstehend beschrieben, kann ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung auf einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert sein, oder auf verschiedenen mobilen Körpern (einem Roboter, einem Schiff, einem Flugzeug, etc.), die kein Brennstoffzellenfahrzeug sind. Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung in einem stationären Leistungserzeugungssystem Anwendung finden, das als Leistungserzeugungseinrichtung für den Bau (eines Gehäuses, eines Gebäudes oder dergleichen) verwendet wird.
Kurze Beschreibug der Figuren
1 zeigt ein Aufbaudiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt ein Steuerblockdiagramm zum Erklären einer Steuerkonfiguration einer Steuervorrichtung des Brennstoffzellensystems, das in 1 dargestellt ist; und
3 zeigt ein Flussdiagramm zum Erklären eines Betriebsverfahrens des Brennstoffzellensystems, das in 1 dargestellt ist.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem
4: Steuervorrichtung (Steuereinrichtung)
10: Brennstoffzelle
30: Wasserstofftank (Brennstoffzuführquelle)
31: Wasserstoffzuführpassage (Brennstoffzuführpassage)
32: Zirkulationspassage
35: Einspritzventil (An/Aus-Ventil)

Claims

Brennstoffzellensystem (1) aufweisend: eine Brennstoffzelle (10); eine Brennstoffzuführpassage (31), durch welche ein Brenngas, das von einer Brennstoffzuführquelle (30) zugeführt wird, der Brennstoffzelle (10) zugeführt wird; ein An/Aus-Ventil (35), welches eine Gasdurchflussrate und/oder einen Gasdruck an der Stromaufwärtsseite der Brennstoffzuführpassage (31) regelt, um das Gas deren Stromabwärtsseite zuzuführen; und eine Steuereinrichtung (4) zum Ansteuern und Steuern des An/Aus-Ventils (35), so dass ein Brenngasdruck auf der Stromabwärtsseite des An/Aus-Ventils (35) einen Zieldruck annimmt, wobei das Brennstoffzellensystem (1) weiter aufweist: ein Brennstoffzirkulationssystem, das aus einem Teil einer Brennstoffzuführpassage (31) an der Stromabwärtsseite von dem Verbindungsteil (A1), der Brenngaspassage, die in der Brennstoffzelle (10) ausgebildet ist, und einer Zirkulationspassage (32) zum Rückführen des Gases, das von der Brennstoffzelle (10) an die Brennstoffzuführpassage (31) abgeführt wird, besteht, wobei die Steuereinrichtung (4) einen virtuellen Wert, der für die Berechnung einer Korrektur-Durchflussrate des An/Aus-Ventils (35) verwendet wird, basierend auf einem Brenngasverbrauch in der Brennstoffzelle und einem Druck des Brenngases auf der Stromaufwärtsseite des An/Aus-Ventils (35), berechnet; eine Vorwärtskopplungsverstärkung (G_FF) durch Multiplizieren mit einem vorbestimmten Koeffizienten, eines Werts, der durch Dividieren eines Volumens des Brennstoffzirkulationssystems durch den virtuellen Wert erhalten wird, berechnet; eine Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussrate durch Multiplizieren einer Druckabweichung, welche die Differenz zwischen dem Druck des Brenngases auf der Stromabwärtsseite des An/Aus-Ventils (35) und dem Zieldruck ist, mit der Vorwärtskopplungsverstärkung (G_FF) berechnet; eine Gasinjektionsdurchflussrate des An/Aus-Ventils (35) durch Addieren einer Rückkopplungskorrektur-Durchflussrate zur Reduzierung der Druckabweichung und der Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussrate auf den Brenngasverbrauch in der Brennstoffzelle (10) berechnet, und das An/Aus-Ventil (35) basierend auf einem Steuersignal entsprechend der Gasinjektionsdurchflussrate ansteuert und steuert.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (4) die Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussrate basierend auf einem Ansteuerzyklus des An/Aus-Ventils (35) und einer Gastemperatur im Brennstoffzirkulationssystem berechnet.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das An/Aus-Ventil (35) ein Einspritzventil ist.