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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
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Hintergrund der Erfindung
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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.
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In
den vergangenen Jahren ist eine Technologie vorgeschlagen worden,
in welcher ein Injektor bzw. 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. Patentdokument
1). 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.
- Patentdokument 1: Japanische Offenlegungsschrift mit der
Nummer 2007-165163 .
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Offenbarung der Erfindung
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Problem das durch die Erfindung
zu lösen ist
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In
einem konventionellen Brennstoffzellensystem, das im obenstehenden
Patentdokument 1 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 nimmt ein Druck-Einstellungsfehler gelegentlich zu (ein Unterschied
zwischen einem erfassten Druckwert in der Umgebung des Einspritzventils
und ein vorbestimmter Ziel-Druckwert steigen an), wenn der Antriebszyklus
fluktuiert bzw. schwankt.
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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.
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Mittel zum Lösen
des Problems
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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 einen Gaszustand 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,
wobei die Steuereinrichtung eine Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussrate
basierend auf dem Ansteuerzyklus des An/Aus-Ventils berechnet, den
Befehlswert der Gaseinspritzdurchflussrate des An/Aus-Ventils unter
Verwendung der Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussrate
korrigiert, und das An/Aus-Ventil basierend auf dem Befehlswert
ansteuert und steuert.
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Wenn
ein solcher Aufbau bereitgestellt wird, wird der Befehlswert der
Gaseinspritzdurchflussrate 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 Befehlswert angesteuert
und gesteuert werden kann. Daher kann der Befehlswert der Gaseinspritzdurchflussrate
unter Berücksichtigung des fluktuierenden Ansteuerzyklus
korrigiert werden, selbst wenn der Ansteuerzyklus des An/Aus-Ventil fluktuiert,
wodurch ein Druck-Einstellfehler vermindert werden kann (ein Unterschied
bzw. eine Differenz zwischen einem erfassten Druckwert in der Umgebung
des An/Aus-Ventil und ein vorbestimmter Zieldruckwert können
vermindert werden), und ein Reaktionsverhalten verbessert werden
kann. Es ist zu beachten, dass „der Gaszustand” für
einen Gaszustand steht, der durch eine Durchflussrate, einen Druck,
eine Temperatur, eine Molekularkonzentration oder dergleichen dargestellt
wird, und insbesondere zumindest die Gasdurchflussrate und oder
den Gasdruck umfasst.
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Das
Brennstoffzellensystem kann ein Brennstoffzirkulationssystem mit
einer Zirkulationspassage aufweisen, welche das Gas, das von der
Brennstoffzelle an die Brennstoffzuführpassage abgeführt
wird, rückführt. In solch einem Fall 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. Es ist zu beachten,
dass das „Brennstoffzirkulationssystem” für
einen Raum steht, der aus einem Teil (an der Stromaufwärtsseite
von einem Verbindungsteil zwischen der Brennstoffzuführpassage und
der Zirkulationspassage) der Brennstoffzuführpassage, einer
Brenngaspassage in der Brennstoffzelle und der Zirkulationspassage
besteht.
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Darüber
hinaus kann in dem Brennstoffzellensystem ein Einspritzventil als
das An/Aus-Ventil bereitgestellt sein.
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Auswirkung der Erfindung.
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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.
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Beste Art und Weise der Ausführung
der Erfindung
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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.
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Zuerst
wird ein Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 gemäß der
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezüglich 1 und 2 beschrieben.
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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 und dergleichen steuert.
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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.
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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.
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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 einer wasserstoffbedeckten
Legierung als die Brennstoffzuführquelle bereitgestellt
sein.
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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 Injektor bzw. 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.
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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.
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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 Gaseinspritzzeit bzw. Gaseinspritzdauer und der Gaseinspritzzeitpunkt
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 einer gestuften
(An/Aus) Wellenform bzw. eines gestuften Schwingungsverlaufs, der den Öffnungs-/Schließzustand
der Einspritzöffnung des Einspritzventils 35 anzeigt.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der Ansteuerzyklus
für jeden 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.
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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)
und der dergleichen (eine Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussratenberechnungsfunktion:
B5). In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Vorwärtskopplungsverstärkung
GFF entsprechend dem Ansteuerzyklus oder
dergleichen unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet,
wobei die Vorwärtskopplungsverstärkung GFF mit der Druckabweichung multipliziert
wird, um die Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussrate
zu berechnen. Die Steuervorrichtung 4 funktioniert in der
vorliegenden Erfindung als Steuereinrichtung.
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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
GFF, die durch eine solche Gleichung berechnet
wird, bereitgestellt wird, kann der erfasste Druckwert nahe dem
Zieldruckwert für einen Ansteuerzyklus des Einspritzventils 35 gebracht
werden.
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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.
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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.
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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.
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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
Gaseinspritzzeit und den Gaseinspritzzeitpunkt des Einspritzventils 35 und
regelt die Durchflussrate und den Druck des Wasserstoffgases, das
der Brennstoffzelle zuzuführen ist.
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Als
nächstes wird das Betriebsverfahren des Brennstoffzellensystems 1 gemäß der
vorliegenden Ausführungsform bezüglich eines Flussdiagramms von 3 beschrieben.
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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.
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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).
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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).
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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).
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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).
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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 Gaseinspritzzeit und den Gaseinspritzzeitpunkt des Einspritzventils 35,
und regelt die Durchflussrate und den Druck des Wasserstoffgases, das
der Brennstoffzelle 10 zuzuführen ist.
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Im
Brennstoffzellensystem 1 gemäß der obenstehend
beschriebenen Ausführungsform wird der Befehlswert der
Gaseinspritzdurchflussrate 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 Gaseinspritzdurchflussrate 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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 zeigt
ein Aufbaudiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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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.
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- 1
- Brennstoffzellensystem
- 4
- Steuervorrichtung
(Steuereinrichtung)
- 10
- Brennstoffzelle
- 30
- Wasserstofftank
(Brennstoffzuführquelle)
- 31
- Wasserstoffzuführpassage
(Brennstoffzuführpassage)
- 32
- Zirkulationspassage
- 35
- Einspritzventil
(An/Aus-Ventil)
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Zusammenfassung
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Brennstoffzellensystem
-
Um
ein Reaktionsverhalten bzw. ein Reaktionsvermögen in einem
Brennstoffzellensystem, in welchem ein An/Aus-Ventil, wie zum Beispiel
ein Einspritzventil, in einer Brennstoffzuführpassage angebracht
ist, durch Vermindern eines Druck-Einstellfehlers, der auftritt,
wenn der Ansteuerzyklus des An/Aus-Ventils fluktuiert bzw. schwankt,
zu verbessern, weist ein Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle,
eine Brennstoffzuführpassage zum Zuführen eines
Brenngases, das von einer Brennstoffzuführquelle zu einer
Brennstoffzelle zugeführt wird, ein An/Aus-Ventil zum Einstellen
eines Gaszustandes an der Stromaufwärtsseite der Brennstoffzuführpassage,
um das Gas dessen Stromabwärtsseite zuzuführen,
und eine Steuereinrichtung zum Ansteuern und Steuern des An/Aus-Ventils
auf. Die Steuereinrichtung berechnet eine Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussrate
basierend auf dem Ansteuerzyklus des An/Aus-Ventils, korrigiert
den Befehlswert der Gaseinspritzdurchflussrate des An/Aus-Ventils
unter Verwendung der Vorwärtskopplungskorrektur-Durchflussrate,
und steuert das An/Aus-Ventil basierend auf dem Befehlswert bzw.
steuert dieses an.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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