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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern einer Kompressordrehzahl in einem Brennstoffzellensystem.
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Hintergrund der Erfindung
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In jüngerer Zeit werden Brennstoffzellensysteme entwickelt, die als Energiequellen Brennstoffzellen nutzen, die durch eine chemische Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidierungsgas, die als Reaktionsgase dienen, elektrische Leistung erzeugen. Um in einem Brennstoffzellensystem auf effiziente Weise elektrische Leistung zu erzeugen, müssen die zugeführten Mengen an Brenngas und Oxidierungsgas optimal angepasst werden. Da die zugeführten Reaktionsgasmengen abhängig von den Nutzungsumgebungen schwanken, ist eine solche optimale Anpassung jedoch nicht einfach. Wenn das Brennstoffzellensystem beispielsweise in den Bergen verwendet wird, ist die Luft dünner, und die Menge an Oxidierungsgas, die einer Brennstoffzelle zugeführt wird, reicht nicht aus, wodurch der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung sinkt. Um dieses Problem zu lösen, wird in dem Brennstoffzellensystem, das in der
JP 2000 -
048838 A offenbart ist, die Menge an Oxidierungsgas, die zur Brennstoffzelle geliefert wird, durch Erhöhen der Drehzahl des Kompressors aufrechterhalten, wenn der Atmosphärendruck sinkt.
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Brennstoffzellensysteme und Steuerverfahren hierfür sind ferner Gegenstand der
EP 1 643 574 A1 sowie der
DE 102 22 422 B4 . Hierbei lehrt die
DE 102 22 422 B4 beispielsweise eine Brennstoffzellen-Steuer/Regelvorrichtung umfassend: eine Reaktionsgas-Zufuhrvorrichtung zum Zuführen von Luft als Reaktionsgas zu einer Brennstoffzelle und eine Atmosphärendruck-Erfassungsvorrichtung zum Erfassen des Atmosphärendrucks, wobei eine Last durch die von der Brennstoffzelle zugeführte Energie angetrieben wird. Vorgesehen ist ferner eine Strom-Steuer/Regelvorrichtung zum Steuern/Regeln eines Stromwerts eines von der Brennstoffzelle ausgegebenen erzeugten elektrischen Stroms zur Anlage an die Last in Antwort auf den von der Atmosphärendruckvorrichtung erfassten Atmosphärendruck.
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Offenbarung der Erfindung
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Problem, das der Erfindung zugrunde liegt
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In dem Brennstoffzellensystem, das in der oben genannten
JP 2000-048838 A offenbart ist, wird die Drehzahl des Kompressors entsprechend einem Wert gesteuert, der durch Teilen von 1 Atmosphärendruck durch den aktuellen Atmosphärendruck erhalten wird, um zu verhindern, dass der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung sinkt. In Situationen, wo ein solches Steuerverfahren angewendet wird, beispielsweise wenn der Atmosphärendruck stark gesunken ist, könnte jedoch eine Drehzahl eingestellt werden, welche die maximal zulässige Drehzahl des Kompressors überschreitet, was zu einem Ausfall des Kompressors führen könnte. Außerdem könnte in Situationen, in denen die maximal zulässige Drehzahl zu niedrig eingestellt wurde, die zur Brennstoffzellen gelieferte Menge an Oxidierungsgas möglicherweise nicht ausreichen, auch wenn die Drehzahl des Kompressors auf die maximal zulässige Drehzahl gesteuert wird.
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Die vorliegende Erfindung soll das genannte Problem des Standes der Technik lösen, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Brennstoffzellensystems und eines Verfahrens zum Steuern der Drehzahl eines Kompressors, mit denen auch bei gesunkenem Atmosphärendruck eine ausreichende Menge an Oxidierungsgas zu einer Brennstoffzelle geliefert werden kann, ohne einen Ausfall des Kompressors zu verursachen.
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Mittel zur Lösung des Problems
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Um das genannte Problem zu lösen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen, mit: einer Brennstoffzelle, die mit Reaktionsgasen beliefert wird und die durch eine elektrochemische Reaktion zwischen den Reaktionsgasen elektrische Leistung erzeugt; einem Kompressor, der ein Oxidierungsgas von den Reaktionsgasen zur Brennstoffzelle liefert; einem Drucksensor, der einen Atmosphärendruck erfasst; einem Entscheidungsmittel, das entscheidet, ob oder ob nicht der vom Drucksensor erfasste Atmosphärendruck bei oder unter einem vorgegebenen Druckwert liegt; und einem Drehzahl-Steuermittel, das eine maximal zulässige Drehzahl des Kompressors für einen vorgegebenen Zeitraum erhöht, wenn das Entscheidungsmittel bestimmt, dass der Atmosphärendruck bei oder unter dem vorgegebenen Druckwert liegt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zudem ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 geschaffen, zum Steuern einer Drehzahl eines Kompressors in einem Brennstoffzellensystem, das aufweist: eine Brennstoffzelle, die mit Reaktionsgasen beliefert wird, und die durch eine elektrochemische Reaktion zwischen den Reaktionsgasen elektrische Leistung erzeugt, einen Kompressor, der ein Oxidierungsgas von den Reaktionsgasen zur Brennstoffzelle liefert; und einen Drucksensor, der einen Atmosphärendruck erfasst, wobei das Verfahren umfasst: einen Entscheidungsschritt, in dem entschieden wird, ob der vom Drucksensor erfasste Atmosphärendruck bei oder unter einem vorgegebenen Druckwert liegt oder nicht; und einen Drehzahl-Steuerschritt, in dem eine maximal zulässige Drehzahl des Kompressors für einen vorgegebenen Zeitraum erhöht wird, wenn im Entscheidungsschritt bestimmt wird, dass der Atmosphärendruck bei oder unter dem vorgegebenen Druckwert liegt.
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Mit diesen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann die maximal zulässige Drehzahl des Kompressors für einen vorgegebenen Zeitraum erhöht werden, wenn der Atmosphärendruck auf oder unter den vorgegebenen Druckwert sinkt. Somit kann auch dann, wenn der Atmosphärendruck sinkt, eine ausreichende Menge an Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle geliefert werden, ohne dass ein Ausfall des Kompressors verursacht wird.
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In dem oben genannten Brennstoffzellensystem entscheidet das Entscheidungsmittel, ob oder ob nicht ein Zustand, in dem der Atmosphärendruck bei oder unter dem vorgegebenen Druckwert liegt, über einen zweiten vorgegebenen Zeitraum oder darüber hinaus bestanden hat, und das Drehzahl-Steuermittel kann die maximale Drehzahl für den vorgegebenen Zeitraum erhöhen, wenn das Entscheidungsmittel bestimmt, dass der Zustand, in dem der Atmosphärendruck bei oder unter dem vorgegebenen Druckwert liegt, über den zweiten vorgegebenen Zeitraum oder darüber hinaus bestanden hat.
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Mit dieser Ausgestaltung kann die maximale Drehzahl für den vorgegebenen Zeitraum erhöht werden, wenn der Atmosphärendruck über den zweiten vorgegebenen Zeitraum oder darüber hinaus bei oder unter dem vorgegebenen Druckwert bleibt, und somit kann verhindert werden, dass die maximale Drehzahl erhöht wird, falls der Druckwert aufgrund bestimmter Faktoren vorübergehend sinkt, und die normale maximale Drehzahl kann beibehalten werden.
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In dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem entscheidet das Entscheidungsmittel, ob oder ob nicht folgende zwei Bedingungen erfüllt sind: ein befohlener Erhöhungsbetrag der Kompressordrehzahl ist mindestens so groß ist wie ein vorgegebener Betrag, und ein Zustand, in dem der Atmosphärendruck bei oder unter dem vorgegebenen Druckwert liegt, hat über den zweiten vorgegebenen Zeitraum oder darüber hinaus bestanden, und das Drehzahl-Steuermittel kann die maximale Drehzahl für den vorgegebenen Zeitraum erhöhen, wenn das Entscheidungsmittel bestimmt, dass folgende zwei Bedingungen erfüllt sind: ein befohlener Erhöhungsbetrag der Kompressordrehzahl ist mindestens so groß wie ein vorgegebener Betrag, und ein Zustand, in dem der Atmosphärendruck bei oder unter dem vorgegebenen Druckwert liegt, hat über den zweiten vorgegebenen Zeitraum oder darüber hinaus bestanden. Hierbei kann der „befohlene Erhöhungsbetrag der Kompressordrehzahl“ in einem Brennstoffzellensystem, das in einem Fahrzeug vorgesehen ist, beispielsweise der Verstellweg eines Beschleunigungselements (ein Gaspedal-Öffnungsgrad) sein. Dadurch, dass, wie oben beschrieben, von den Kriterien für die Erhöhung der maximalen Drehzahl die Bedingung verwendet wird, dass der befohlene Erhöhungsbetrag der Kompressordrehzahl mindestens so groß ist wie der vorgegebene Betrag, ist es möglich, die Erhöhung der maximalen Drehzahl auf eine Situation zu beschränken, in der die Drehzahl des Kompressors sehr wahrscheinlich die maximale Drehzahl erreichen wird.
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Das oben beschriebene Brennstoffzellensystem weist ferner auf: einen Temperatursensor, der eine Temperatur des Oxidierungsgases erfasst, das aus dem Kompressor abgegeben wird; und ein zweites Entscheidungsmittel, das entscheidet, ob die vom Temperatursensor erfasste Temperatur während eines vorgegebenen Zeitraums ab Erhöhung der maximalen Drehzahl durch das Drehzahl-Steuermittel auf oder über eine vorgegebene Temperatur steigt oder nicht, wobei das Drehzahl-Steuermittel die maximale Drehzahl auf eine Drehzahl vor deren Erhöhung ändern kann, wenn das zweite Entscheidungsmittel bestimmt, dass die Temperatur auf oder über die vorgegebene Temperatur steigt.
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Mit dieser Ausgestaltung kann nach der Erhöhung der maximalen Drehzahl ein Ausfall des Kompressors, der als Folge der Erhöhung der maximalen Drehzahl eintreten könnte, verhindert werden.
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In dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem entscheidet das zweite Entscheidungsmittel, ob im Zeitraum ab Erhöhung der maximalen Drehzahl ein Zustand, in dem die vom Temperatursensor erfasste Temperatur mindestens so hoch ist wie die vorgegebene Temperatur, über einen dritten vorgegebenen Zeitraum oder darüber hinaus bestanden hat, und das Drehzahl-Steuermittel kann die maximale Drehzahl auf eine Drehzahl vor deren Erhöhung ändern, wenn das zweite Entscheidungsmittel bestimmt, dass der Zustand, in dem die Temperatur mindestens so hoch ist wie die vorgegebene Temperatur, über den dritten vorgegebenen Zeitraum oder darüber hinaus bestanden hat.
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Mit dieser Ausgestaltung kann die erhöhte maximale Drehzahl beibehalten werden, ohne auf die ursprüngliche maximale Drehzahl zurück gebracht zu werden, wenn die Auslasstemperatur des Kompressors nach Erhöhung der maximalen Drehzahl aufgrund bestimmter Faktoren vorübergehend erhöht wird.
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Wirkung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch dann, wenn der Atmosphärendruck sinkt, eine ausreichende Menge an Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle geliefert werden, ohne einen Ausfall des Kompressors zu verursachen.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Gestaltungsschema, das ein Brennstoffzellensystem einer Ausführungsform skizziert.
- 2 ist ein Ablaufschema, das eine Kompressordrehzahl-Steuerungsverarbeitung in dem in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem erläutert.
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Bezugszeichenliste
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- 1:
- Brennstoffzellensystem,
- 2:
- Brennstoffzelle,
- 3:
- Oxidierungsgas-Leitungssystem,
- 4:
- Wasserstoffgas-Leitungssystem,
- 5:
- Steuereinheit,
- 30:
- Filter,
- 31:
- Kompressor,
- 32:
- Luft-Zufuhrweg,
- 33:
- Luft-Abfuhrweg,
- 34:
- Befeuchter,
- 40:
- Wasserstofftank,
- 41:
- Wasserstoff-Zufuhrweg,
- 42:
- Umwälzweg,
- 43:
- Haupt-Stoppventil,
- 44:
- Regler,
- 45:
- Wasserstoffpumpe,
- 46:
- Gas/Flüssigkeit-Separator,
- 47:
- Abgas-/Ablassventil,
- 48:
- Abfuhrweg,
- 49:
- Verdünner,
- N:
- Drehzahlsensor,
- P:
- Drucksensor,
- T:
- Temperatursensor,
- S:
- Gaspedal-Öffnungsgradsensor
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Beste Weise für die Ausführung der Erfindung
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Nun werden eine bevorzugte Ausführungsform für ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern der Drehzahl eines Kompressors gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die folgende Beschreibung beschreibt eine Ausführungsform, in der das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung als Onboard-Leistungserzeugungssystem in einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug (fuel cell hybrid vehicle, FCHV) verwendet wird.
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Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Ausführungsform kann auch in Situationen, in denen der Atmosphärendruck sinkt, durch Erhöhen der maximal zulässigen Kompressordrehzahl für einen vorgegebenen Zeitraum eine ausreichende Menge an Oxidierungsgas zu einer Brennstoffzelle liefern, wenn der Atmosphärendruck auf oder unter einen vorgegebenen Wert sinkt, ohne einen Ausfall eines Kompressors zu verursachen. Ausgestaltung und Betriebsweise eines Brennstoffzellensystems mit einem solchen Merkmal werden nachstehend ausführlich beschrieben.
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Zunächst wird der Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Ausführungsform mit Bezug auf Fig. beschrieben. 1 ist ein Gestaltungsschema, das ein Brennstoffzellensystem der vorliegenden Ausführungsform skizziert.
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Wie in 1 dargestellt, weist ein Brennstoffzellensystem auf: eine Brennstoffzelle 2, die durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Oxidierungsgas und einem Brenngas, die als Reaktionsgase dienen, elektrische Leistung erzeugt; ein Oxidierungsgas-Leitungssystem 3, das die Luft, die als Oxidierungsgas dient, zur Brennstoffzelle 2 liefert; ein Wasserstoffgas-Leitungssystem 4, das Wasserstoff, der als Brenngas dient, zur Brennstoffzelle 2 liefert; und eine Steuereinheit 5, die das gesamte System zentral steuert.
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Die Brennstoffzelle 2 weist eine Stapelstruktur mit einer Vielzahl von gestapelten Einheitszellen auf, wobei die Einheitszellen mit den Reaktionsgasen beliefert werden und elektrische Leistung erzeugen. Ein Teil der von der Brennstoffzelle 2 erzeugten elektrischen Gleichstromleistung wird, nachdem seine Spannung von einem (nicht dargestellten) Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler gesenkt wurde, in eine (nicht dargestellte) Sekundärbatterie, bei der es sich um eine Batterie handelt, geladen.
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Das Oxidierungsgas-Leitungssystem 3 weist auf: einen Kompressor 31, der die Luft, die über einen Filter 30 eingeführt wird, verdichtet und die verdichtete Luft als Oxidierungsgas ausgibt; einen Luft-Zufuhrweg 32, der das Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle 2 liefert, und einen Luft-Abfuhrweg 33, der ein Oxidierungsabgas, das aus der Brennstoffzelle 2 abgegeben wird, abführt. Der Luftzufuhrweg 32 und der Luftabfuhrweg 33 sind mit einem Befeuchter 34 versehen, der das vom Kompressor 31 verdichtete und ausgegebene Oxidierungsgas unter Verwendung eines Oxidierungsabgases, das aus der Brennstoffzelle 2 abgegeben wird, befeuchtet. Nachdem das Oxidierungsabgas einem Feuchtigkeitsaustausch im Befeuchter 34 unterzogen wurde, wird es schließlich als Abgas in die Atmosphäre außerhalb des Systems abgeführt. Der Kompressor 31 ist mit einem Drehzahlsensor N versehen, der die Drehzahl eines im Kompressor 31 enthaltenen Motors erfasst. Ein Temperatursensor T, der die Temperatur des Oxidierungsgases erfasst, das vom Kompressor 31 abgegeben wird (nachstehend als „Auslasstemperatur“ bezeichnet), ist ferner auf der Auslassseite des Kompressors 31 vorgesehen.
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Das Wasserstoffgas-Leitungssystem 4 weist auf: einen Wasserstofftank 40, der als Brennstoff-Zufuhrquelle dient und der Wasserstoffgas unter hohem Druck (z.B. 70 MPa) speichert; einen Wasserstoff-Zufuhrweg 41, der als Brennstoff-Zufuhrweg zum Beliefern der Brennstoffzelle 2 mit dem Wasserstoffgas im Wasserstofftank 40 dient; und einen Umwälzweg 42 zum Rückführen eines aus der Brennstoffzelle 2 abgegebenen verbrauchten Wasserstoffgases in den Wasserstoff-Zufuhrweg 41. Man beachte, dass das Wasserstoff-Leitungssystem 4 eine Ausführungsform des Brennstoff-Zufuhrsystems der vorliegenden Erfindung ist. Obwohl in der vorliegenden Ausführungsform der Wasserstofftank 40 als Brennstoff-Zufuhrquelle verwendet wird, kann der Wasserstofftank 40 beispielsweise mit einem Modifizierer bzw. Gaswandler, der einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff unter Verwendung von Wasserdampf in einen mit Wasserstoff angereicherten Brennstoff modifiziert bzw. umwandelt, und einen Hochdruck-Gastank, der das Brenngas, das vom Gaswandler umgewandelt wurde, unter hohem Druck speichert, ersetzt werden. Ebenso kann ein Tank mit einer Wasserstoff absorbierenden Legierung als Brennstoff-Zufuhrquelle verwendet werden.
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Der Wasserstoff-Zufuhrweg 41 ist mit Folgendem versehen: mit einem Haupt-Stoppventil 43, das die Zufuhr von Wasserstoffgas aus dem Wasserstofftank 40 blockiert oder zulässt; und mit einem Regler 44, der den Druck des Wasserstoffgases auf einen voreingestellten Sekundärdruck regelt.
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Der Umwälzweg 42 ist mit einer Wasserstoffpumpe 45 versehen, die das verbrauchte Wasserstoffgas im Umwälzweg 42 verdichtet und das verdichtete verbrauchte Wasserstoffgas zum Wasserstoff-Zufuhrweg 41 schickt. Der Umwälzweg 42 ist über einen Gas/Flüssigkeit-Separator 46 und ein Abgas-/Ablassventil 47 mit einem Abfuhrweg 48 verbunden. Der Gas/Flüssigkeit-Separator 46 sammelt Feuchtigkeit aus dem verbrauchten Wasserstoffgas. Das Abgas/Ablassventil 47 spült bzw. treibt die vom Gas/Flüssigkeit-Separator 46 gesammelte Feuchtigkeit und das Verunreinigungen enthaltende verbrauchte Wasserstoffgas im Umwälzweg 42 gemäß einem Befehl von der Steuereinheit 5 aus. Das aus dem Abgas-/Ablassventil 47 ausgelassene verbrauchte Wasserstoffgas wird von einem Verdünner 49 verdünnt und mischt sich mit dem Oxidierungsabgas im Luft-Abfuhrweg 33.
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Die Steuereinheit 5 erfasst den Verstellweg eines Beschleunigungselements (Gaspedals) (z.B. den Öffnungsgrad des Gaspedals), das in einem Brennstoffzellen/HybridFahrzeug vorgesehen ist, unter Verwendung eines Sensors (z.B. eines Gaspedal-Öffnungsgradsensors S), empfängt Steuerinformationen, wie einen Beschleunigungsforderungswert (z.B. die Menge an erzeugter Leistung, die von Leistung verbrauchenden Einrichtungen, wie einem Fahrmotor, benötigt wird), und steuert den Betrieb verschiedener Geräte in dem System. Beispiele für die Leistung verbrauchenden Einrichtungen können außer dem Fahrmotor Hilfseinrichtungen beinhalten, die für den Betrieb der Brennstoffzelle 2 nötig sind (z.B. Motoren für den Kompressor 31 und die Wasserstoffpumpe 45 usw.); Stellglieder, die in verschiedenen Einrichtungen verwendet werden, die mit dem Fahren des Fahrzeugs verbunden sind (z.B. eine Gangschaltung, eine Radsteuereinrichtung, eine Lenkeinrichtung und eine Aufhängung); und eine Klimatisierungseinrichtung (Klimaanlage), eine Beleuchtungseinrichtung, ein Audiosystem usw., die in einem Insassenraum vorgesehen sind.
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Die Steuereinheit 5 entscheidet, ob folgende zwei Bedingungen erfüllt sind oder nicht: der vom Gaspedal-Öffnungsgradsensor S erfasste Gaspedal-Öffnungsgrad ist mindestens so groß wie ein vorgegebener Öffnungsgrad; und der Zustand, in dem der Atmosphärendruck, der vom Drucksensor P zum Messen des Atmosphärendrucks erfasst wird, bei oder unter einem vorgegebenen Druckwert liegt, hat über einen vorgegebenen Zeitraum oder darüber hinaus bestanden. Der vorgegebene Öffnungsgrad, der für die Entscheidung über den Gaspedal-Öffnungsgrad verwendet wird, kann beispielsweise auf 95 % eingestellt werden; der vorgegebene Druckwert, der für die Entscheidung über den Atmosphärendruck verwendet wird, kann beispielsweise auf 90 kPa eingestellt werden; und die vorgegebene Zeit, die für die Entscheidung über die Zeitdauer verwendet wird, kann beispielsweise auf 3 Sekunden eingestellt werden.
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Wenn die Steuereinheit 5 Folgendes bestimmt: der Gaspedal-Öffnungsgrad ist mindestens so groß wie der vorgegebene Öffnungsgrad; und der Zustand, in dem der Atmosphärendruck bei oder unter dem vorgegebenen Druckwert liegt, hat über einen vorgegebenen Zeitraum oder darüber hinaus bestanden, führt sie eine Verarbeitung zum Erhöhen der maximalen Drehzahl durch, um die maximale Drehzahl, die für den Kompressor 31 zulässig ist, für einen vorgegebenen Zeitraum zu erhöhen. Der Inhalt der Verarbeitung zum Erhöhen der maximalen Drehzahl wird nachstehend ausführlich beschrieben. Zuerst ändert die Steuereinheit 5 die maximale Drehzahl, die für den Kompressor 31 zulässig ist, auf eine erhöhte maximale Drehzahl, bei der es sich um eine Drehzahl handelt, die höher ist als die normale maximale Drehzahl. Wenn dann der vorgegebene Zeitraum ab Änderung der Drehzahl in die erhöhte maximale Drehzahl abgelaufen ist, ändert die Steuereinheit 5 die maximale Drehzahl in die normale maximale Drehzahl und beendet dadurch die Verarbeitung zur Erhöhung der maximalen Drehzahl. Die normale maximale Drehzahl kann beispielsweise auf 5700 UpM eingestellt werden, während die erhöhte maximale Drehzahl beispielsweise auf 6000 UpM eingestellt werden kann. Die vorgegebene Zeit, die für die Entscheidung über die Zeit, die ab Änderung der maximalen Drehzahl auf die erhöhte maximale Drehzahl vergeht, verwendet wird, kann beispielsweise auf 180 Sekunden eingestellt werden. Man beachte, dass der Drucksensor P beispielsweise in einem Motorraum vorgesehen sein kann.
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Während die Verarbeitung zur Erhöhung der maximalen Drehzahl durchgeführt wird, entscheidet die Steuereinheit 5 ferner, ob oder ob nicht der Zustand, in dem eine vom Temperatursensor T erfasste Auslasstemperatur des Kompressors 31 mindestens so hoch ist wie eine vorgegebenen Temperatur, über einen vorgegebenen Zeitraum oder darüber hinaus bestanden hat. Die vorgegebene Temperatur, die verwendet wird, um über die Auslasstemperatur des Kompressors 31 zu entscheiden, kann beispielsweise auf 170 °C eingestellt werden, und der vorgegebene Zeitraum, der für die Entscheidung über die Zeitdauer der vorgegebenen oder höheren Temperatur verwendet wird, kann beispielsweise auf 20 Sekunden eingestellt werden.
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Wenn die Steuereinheit 5 bestimmt, dass der Zustand, in dem die Auslasstemperatur des Kompressors 31 mindestens so hoch ist wie die vorgegebene Temperatur, über den vorgegebenen Zeitraum oder darüber hinaus bestanden hat, erzwingt sie eine Änderung der maximal zulässigen Drehzahl des Kompressors 31 in die normale maximale Drehzahl und beendet dadurch die Verarbeitung zum Erhöhen der maximalen Drehzahl mitten in der Verarbeitung.
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Die Steuereinheit 5 weist physikalisch beispielsweise eine CPU, einen ROM oder eine HDD, in dem bzw. in der ein Steuerprogramm und Steuerdaten, die in der CPU verwendet werden, gespeichert sind, einen RAM, der für verschiedene Aufgaben hauptsächlich für Steuerverarbeitungen verwendet wird, und Eingabe/Ausgabe-Schnittstellen auf. Diese Bestandteile sind über einen Bus miteinander verbunden. Die Eingabe- und Ausgabe-Schnittstellen sind mit verschiedenen Sensoren verbunden, wie dem Drehzahlsensor N, dem Drucksensor P, dem Temperatursensor T und dem Gaspedal-Öffnungsgradsensor S, ebenso wie mit verschiedenen Treibern zum Ansteuern des Kompressors 31, des Haupt-Stoppventils 43, der Wasserstoffpumpe 45, des Abgas-/Ablassventils 47 usw.
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Die CPU empfängt Erfassungsergebnisse vom Drehzahlsensor N, vom Drucksensor P, vom Temperatursensor T und vom Gaspedal-Öffnungsgradsensor S über die Eingabe/Ausgabe-Schnittstellen und verarbeitet die empfangenen Erfassungsergebnisse unter Verwendung verschiedener Arten von Daten im RAM gemäß dem im ROM gespeicherten Steuerprogramm, wodurch sie die Kompressordrehzahl-Steuerverarbeitung im Brennstoffzellensystem 1 steuert. Die CPU gibt über die Eingabe/Ausgabe-Schnittstellen Steuersignale an die verschiedenen Treiber aus und steuert dadurch das gesamte Brennstoffzellensystem 1.
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Nun wird die Kompressordrehzahl-Steuerverarbeitung im Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf das in 2 dargestellte Ablaufschema beschrieben. Die Kompressordrehzahl-Steuerungsverarbeitung wird ab dem EIN-Schalten eines Zündschlüssels bis zum AUS-Schalten eines Zündschlüssels wiederholt durchgeführt.
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Zuerst stellt der Kompressor die maximale Drehzahl des Kompressors auf die normale maximale Drehzahl ein (Schritt S1).
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Dann entscheidet die Steuereinheit 5, ob die folgenden zwei Bedingungen erfüllt sind oder nicht: ein vom Gaspedal-Öffnungsgradsensor S erfasster Gaspedal-Öffnungsgrad ist mindestens so groß wie ein vorgegebener Öffnungsgrad; und der Zustand, in dem der vom Drucksensor P erfasste Atmosphärendruck bei oder unter einem vorgegebenen Wert liegt, hat über einen vorgegebenen Zeitraum oder darüber hinaus bestanden (Schritt S2). Falls das Ergebnis der Entscheidung negativ ist (Schritt S2; NEIN), wird die Operation von Schritt S2 wiederholt.
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Falls dagegen das Ergebnis der Entscheidung in Schritt S2 positiv ist (Schritt S2; JA), ändert die Steuereinheit 5 die maximal zulässige Drehzahl des Kompressors 31 von der normalen maximalen Drehzahl in die erhöhte maximale Drehzahl (Schritt S3).
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Dann entscheidet die Steuereinheit 5, ob ein vorgegebener Zeitraum ab Änderung der maximalen Drehzahl in die erhöhte maximale Drehzahl vergangen ist, und entscheidet außerdem, ob der Zustand, in dem die vom Temperatursensor T erfasste Auslasstemperatur des Kompressors 31 mindestens so hoch ist wie eine vorgegebene Temperatur, über einen vorgegebenen Zeitraum oder darüber hinaus bestanden hat (Schritt S4). Falls die Ergebnisse beider Entscheidungen negativ sind (Schritt S4; NEIN), wir die Operation von Schritt S4 wiederholt.
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Falls dagegen das Ergebnis mindestens einer der Entscheidungen in Schritt S4 positiv ist (Schritt S4; JA), geht die Verarbeitung zum oben genannten Schritt S1 weiter. Die maximal zulässige Drehzahl des Kompressors 31 wird demgemäß in die normale maximale Drehzahl geändert.
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Man beachte, dass, obwohl in der obigen Operationsbeschreibung die maximale Drehzahl des Kompressors in Schritt S1 eingestellt wurde, auf die Operation von Schritt S1 unmittelbar nach EIN-Schalten des Zündschlüssels verzichtet werden kann, wenn die maximale Drehzahl beim AUS-Schalten des Zündschlüssels auf die normale maximale Drehzahl umgestellt wird.
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Wie oben beschrieben, wird in dem Brennstoffzellensystem 1 der vorliegenden Ausführungsform in Situationen, in denen der Öffnungsgrad des Gaspedals mindestens so groß ist wie ein vorgegebener Grad, und der Atmosphärendruck über einen vorgegebenen Zeitraum oder darüber hinaus auf oder unter einem vorgegebenen Druckwert bleibt, die oben beschriebene Verarbeitung zum Erhöhen der maximalen Drehzahl durchgeführt, so dass die maximale zulässige Drehzahl, die im Kompressor 31 zugelassen wird, für einen vorgegebenen Zeitraum erhöht werden kann. Mit dieser Ausgestaltung kann auch dann, wenn der Atmosphärendruck sinkt, eine ausreichende Menge an Oxidierungsgas zu den Brennstoffzellen geliefert werden, ohne einen Ausfall des Kompressors zu verursachen.
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Außerdem kann in dem Brennstoffzellensystem 1 der vorliegenden Ausführungsform die maximale Drehzahl auf die normale maximale Drehzahl zurückgebracht werden, wenn die Temperatur des Oxidationsgases, das vom Kompressor 31 abgegeben wird, auf oder über eine vorgegebene Temperatur steigt, während die Verarbeitung zum Erhöhen der maximalen Drehzahl durchgeführt wird, so dass ein Ausfall, der als Folge der Erhöhung der maximalen Drehzahl passieren könnte, vermieden werden kann.
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Man beachte, dass zwar in der obigen Ausführungsform als Startkriterium für die Verarbeitung zur Erhöhung der maximalen Drehzahl folgende Bedingungen beschrieben wurden: der Öffnungsgrad des Gaspedals ist mindestens so groß wie ein vorgegebener Grad; und der Zustand, in dem der Atmosphärendruck bei oder über einem vorgegebenen Druckwert liegt, hat über einen vorgegebenen Zeitraum oder darüber hinaus bestanden, aber die Startkriterien für die Verarbeitung nicht darauf beschränkt sind. Andere Startkriterien für die Verarbeitung können verwendet werden, solange die Kriterien mindestens die Bedingung beinhalten, dass der Atmosphärendruck bei oder unter einem vorgegebenen Druckwert liegt. Jedoch kann dadurch, dass von den Startkriterien für die Verarbeitung die Bedingung verwendet wird, dass der Gaspedal-Öffnungsgrad mindestens so groß ist wie ein vorgegebener Grad, die Verarbeitung zur Erhöhung der maximalen Drehzahl auf eine Situation beschränkt werden, in der die Drehzahl des Kompressors sehr wahrscheinlich die maximale Drehzahl erreicht. Dadurch, dass von den Startkriterien für die Verarbeitung die Bedingung verwendet wird, dass ein Niederdruckzustand über einen vorgegebenen Zeitraum oder darüber hinaus besteht, kann ferner verhindert werden, dass die maximale Drehzahl steigt, wenn ein Druck aufgrund bestimmter Faktoren vorübergehend sinkt, und die normale maximale Drehzahl kann beibehalten werden.
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Obwohl die obige Ausführungsform außer der Zeitdauer der Verarbeitung zur Erhöhung der maximalen Drehzahl auch den Zustand, dass die vom Temperatursensor T erfasste Auslasstemperatur des Kompressors 31 über einen vorgegebenen Zeitraum oder darüber hinaus mindestens so hoch ist wie eine vorgegebenen Temperatur, als ein Kriterium für das Beenden der Verarbeitung zur Erhöhung der maximalen Drehzahl beschrieben hat, ist das Kriterium für das Beenden der Verarbeitung nicht darauf beschränkt. Es können auch andere Kriterien für das Beenden der Verarbeitung verwendet werden, solange die Kriterien außer der Zeitdauer der Verarbeitung zur Erhöhung der maximalen Drehzahl zumindest die Bedingung beinhalten, dass die Auslasstemperatur auf oder über eine vorgegebene Temperatur steigt. Dadurch, dass von den Kriterien für das Beenden der Verarbeitung die Bedingung verwendet wird, dass ein Hochtemperaturzustand über einen vorgegebenen Zeitraum oder länger anhält, kann jedoch die Verarbeitung zur Erhöhung der maximalen Drehzahl fortgesetzt werden, ohne sie zu beenden, wenn die Auslasstemperatur aufgrund bestimmter Faktoren vorübergehend steigt.
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Obwohl die obige Ausführungsform die Ausgestaltung beschreibt, in der das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug vorgesehen ist, kann das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung außer auf Brennstoffzellen-Hybridfahrzeuge auch auf andere mobile Objekte (z.B. Roboter, Schiffe und Flugzeuge) angewendet werden. Außerdem kann das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung auch auf stationäre Leistungserzeugungssysteme angewendet werden, die als Leistungserzeugungsausrüstung für Gebäude (z.B. Wohn- und Wirtschaftsgebäude) verwendet werden.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Das Brennstoffzellensystem und das Verfahren zum Steuern der Drehzahl eines Kompressors gemäß der vorliegenden Erfindung eignen sich zur Verwendung für die Zufuhr einer ausreichenden Menge an Oxidierungsgas zu einer Brennstoffzelle auch in Situationen, wo der Atmosphärendruck sinkt.
