-
Technisches Gebiet
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
-
Bisher
wurde ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle vorgeschlagen
und in der Praxis genutzt, dass elektrische Leistung durch den Empfang
von Reaktionsgasen (ein Brenngas und ein Oxidationsgas) erzeugt.
Jetzt wurde eine Technik vorgeschlagen, bei der ein elektromagnetisches An-Aus-Ventil,
beispielsweise ein Injektor, in einem Brenngaszufuhrpfad des Brennstoffzellesystems
angeordnet ist, und der Betriebszustand des An-Aus-Ventils gesteuert
wird, um den Druck eines Brenngases im Brenngaszufuhrpfad einzustellen.
-
Bei
dem herkömmlichen Brennstoffzellensystem mir einem derartigen
Injektor wird der Druck eines Brenngases an der stromabwärtigen
Seite (oder der stromaufwärtigen Seite) des Injektors im Brenngaszufuhrpfad
erfasst, und eine Feedback-Steuerung des Injektors sowie eine Erfassung einer
Abnormalität in der Leitung werden auf Basis des erfassten
Drucks ausgeführt (siehe beispielsweise Patentdokument
1).
- Patendokument 1: Japanische Offenlegungsschrift Nr. JP-2007-165237 A
-
Offenbarung der Erfindung
-
Durch die Erfindung zu lösende
Probleme
-
Bei
dem herkömmlichen Brennstoffzellensystem, das in oben genanntem
Patentdokument 1 beschrieben wird, ist jedoch, wenn die Nicht-Einspritz-Zeit
(Ventilverschlußzeit) des Injektors extrem kurz ist, ein
Druckerfassungsfehler des Brenngases in der Nähe der stromaufwärtigen
Seite oder der stromabwärtigen Seite des Injektors aufgrund
eines Einflusses einer Gasdruckvibration oder dergleichen zum Zeitpunkt
des Ventilverschlusses groß. Ein wie vorstehend angeführter
großer Druckerfassungsfehler des Brenngases in der Nähe
des Injektors kann zu einer verringerten Genauigkeit der Feedback-Steuerung
des Injektors oder der Erfassung einer Abnormalität führen.
-
Die
vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen
Umstände gemacht und es ist eine Aufgabe der Erfindung,
den Druckerfassungsfehler eines Brenngases in der Nähe
eines An-Aus-Ventils in einem Brennstoffzellensystem mit einem An-Aus-Ventil,
beispielsweise einem Injektor, das in einem Brenngaszufuhrpfad angeordnet
ist, zu minimieren.
-
Mittel zur Lösung der Probleme
-
Um
die vorgenannte Aufgabe zu lösen ist ein Brennstoffzellensystem
gemäß der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem
das aufweist: eine Brennstoffzelle; einen Brenngaszufuhrpfad zur Zufuhr
von Brenngas, das aus einer Brennstoffquelle zugeführt
wird, zu der Brennstoffzelle; ein An-Aus-Ventil, das einen Zustand
eines Gases an einer stromaufwärtigen Seite des Brenngaszufuhrpfades
einstellt und das Gas zu einer stromabwärtigen Seite führt;
und eine Steuereinrichtung, die den Betrieb des An-Aus-Ventils zu
einem vorgegebenen Arbeitszyklus steuert, wobei die Steuereinrichtung
einen oberen Grenzwert einer Einschaltdauer zu jedem Arbeitszyklus
des An-Aus-Ventils einstellt.
-
Die
Verwendung der vorgenannten Anordnung ermöglicht es, den
oberen Grenzwert der Einschaltzeit zu jedem Arbeitszyklus (das Verhältnis
einer Ventilöffnungszeit zu jedem Arbeitszyklus) des An-Aus-Ventils
einzustellen (in anderen Worten: eine vorbestimmte Ventilverschlußzeit
zu jedem Arbeitszyklus des An-Aus-Ventils zwangszusichern). Dies ermöglicht
es daher, einen Druckerfassungsfehler des Brenngases, der bei einer
extrem kurzen Ventilverschlußzeit des An-Aus-Ventils verursacht
wird, zu minimieren. Daher kann die Genauigkeit von unterschiedlichen
Steuerungen (z. B. der Feedback-Steuerung des An-Aus-Ventils) basierend
auf dem Brenngasdruck-Erfassungsergebnis verbessert werden. Der
Begriff „Zustand eines Gases” bedeutet im Übrigen
den Zustand eines Gases der als eine Gasflußrate, eine
Druck, eine Temperatur, eine Molkonzentration und dergleichen wiedergegeben
wird, und umfasst insbesondere zumindest eine Gasflußrate und/oder
einen Gasdruck.
-
Das
Brennstoffzellensystem kann mit einem Drucksensor zum Erfassen des
Druckwerts des Brenngases auf der stromabwärtigen Seite
des An-Aus-Ventils des Brenngaszufuhrpfades vorgesehen sein. In
diesem Fall kann die Steuereinrichtung geeignet sein, den oberen
Grenzwert auf Basis einer Druck-Erholungszeit einzustellen, die
von einem Zeitpunkt eines Ventil-Schließen-Befehls des An-Aus-Ventils
bis zu einem Zeitpunkt, an dem der am Drucksensor erfasste Wert
zurückgesetzt wird, benötigt wird.
-
Das
Brennstoffzellensystem kann zudem eine Steuereinrichtung verwenden,
die den oberen Grenzwert der Einschaltzeit derart einstellt, dass
eine Differenz zwischen einem erfassten Druckwert am Drucksensor
wenn das An-Aus-Ventil in Betrieb ist, und einem Sollwert ein bestimmter
Wert oder weniger wird.
-
Ferner
kann das Brennstoffzellensystem eine Steuereinrichtung verwenden,
die eine Druckerfassung des Brenngases durch den Drucksensor ausführt,
nachdem eine vorgegebene Zeit seit dem Zeitpunkt des Schließens
des An-Aus-Ventils verstrichen ist.
-
Das
Brennstoffzellesystem kann ferner einen Injektor als das An-Aus-Ventil
verwenden.
-
Der
Injektor ist ein elektromagnetisch angetriebenes An-Aus-Ventil,
das geeignet ist, den Gaszustand (die Gasflußrate und den
Gasdruck) durch direktes Ansteuern eines Ventilelements mit einer elektromagnetischen
Antriebskraft zu einem vorgegebenen Arbeitszyklus, um das Ventilelement
von einem Ventilsitz weg zu bewegen, einzustellen. Eine vorbestimmte
Steuereinheit treibt das Ventilelement des Injektors an, um den
Einspritzzeitpunkt sowie die Einspritzzeit des Brenngases zu steuern,
wodurch eine hochgenaue Steuerung der Flußrate und des Gasdrucks
ermöglicht wird.
-
Wirkung der Erfindung
-
Gemäß der
vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Druckerfassungsfehler
eines Brenngases in der Umgebung bzw. Nähe eines An-Aus-Ventils
in einem Brennstoffzellensystem mit einem derartigen An-Aus-Ventil,
beispielsweise einem Injektor, das in einem Brenngaszufuhrpfad angeordnet
ist, zu minimieren.
-
Beste Weise zur Ausführung der
Erfindung
-
Nachfolgend
wird ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, Die vorliegende
Ausführungsform beschreibt ein Beispiel, bei dem die vorliegende
Erfindung auf ein fahrzeuginternes Leistungs-Erzeugungs-System eines
Brennstoffzellenfahrzeugs angewendet wird.
-
Zunächst
wird, unter Bezugnahme auf die 1 bis 4,
die Konstruktion des Brennstoffzellensystems 1 gemäß der
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
-
Wie
in 1 dargestellt, hat das Brennstoffzellensystem 1 der
vorliegenden Ausführungsform eine Brennstoffzelle 10,
die zugeführte Reaktionsgase (ein Oxidationsgas und ein
Brenngas) empfängt und elektrische Leistung erzeugt, und
umfasst ferner hauptsächlich ein Oxidationsgasleitungssystem 2, das
Luft als Oxidationsgas der Brennstoffzelle 10 zuführt,
ein Wasserstoffgasleitungssystem 3, das ein Wasserstoffgas
als Brenngas der Brennstoffzelle 10 zuführt, sowie
eine Steuerung 4, die integral das gesamte System steuert.
-
Die
Brennstoffzelle 10 hat eine Stapelstruktur, die aus einer
vorbestimmten Zahl von gestapelten elektrischen Zellen besteht,
welche die zugeführten Reaktionsgase empfangen, um elektrische
Leistung zu erzeugen. Die von der Brennstoffzelle 10 erzeugte
elektrische Leistung wird einer PCU (Leistungs-Steuereinheit) 11 zugeführt.
Die PCU 11 hat einen Inverter und einen DC-DC-Wandler und
dergleichen, die zwischen der Brennstoffzelle 10 und einem Traktionsmotor
bzw. Antriebsmotor 12 angeordnet sind. Ein Stromsensor 13 zur
Erfassung eines Stromes während der Leistungs- bzw. Stromerzeugung ist
an der Brennstoffzelle 10 installiert.
-
Das
Oxidationsgasleitungssystem 2 hat einen Luftzufuhrpfad 21,
der ein Oxidationsgas (Luft), das in einem Befeuchter 20 befeuchtet
wurde, der Brennstoffzelle 10 zuführt, einen Luftabgaspfad 22, zum
Abführen eines oxidierenden Abgases, das von der Brennstoffzelle 10 ausgestoßen
wird, aus der Brennstoffzelle 10 zum Befeuchter 20,
sowie einen Abgasflußpfad 23, zum Abführen
des oxidierenden Abgases vom Befeuchter 20 nach außen.
Der Luftzufuhrpfad 21 ist mit einem Kompressor 24 vorgesehen,
der das oxidierende Gas in der Luft erfasst und das erfasste oxidierende
Gas dem Befeuchter 20 unter Druck zuführt.
-
Das
Wasserstoffgasleitungssystem 3 hat einen Wasserstofftank 30,
der als Brenngaszufuhrquelle dient, die ein Wasserstoffgas unter
einem hohen Druck (z. B. 70 MPa) speichert, einen Wasserstoffzufuhrpfad 31,
der als Brenngaszufuhrpfad, zum Zuführen des Wasserstoffgases
vom Wasserstofftank 30 zur Brennstoffzelle 10 dient,
sowie einen Zirkulationsflußpfad 32, zum Rückführen
des aus der Brennstoffzelle 10 ausgestoßenen Wasserstoff-Abgases
in den Wasserstoffzufuhrpfad 31. An Stelle des Wasserstofftanks 30 kann
ein Reformer als Brenngaszufuhrquelle vorgesehen sein, der reformiertes
wasserstoffreiches Gas aus einem Kohlenwasserstoff basierten Kraftstoff
erzeugt, sowie ein Hochdrucktank, der das reformierte Gas, das vom
Reformer erzeugt wurde, unter Hochdruck speichert. Alternativ kann
ein Tank mit einer Wasserstoffbeladenen Legierung als die Brenngaszufuhrquelle
zur Anwendung kommen.
-
Der
Wasserstoffzufuhrpfad 31 umfasst ein Sperrventil 33,
das die Zufuhr von Wasserstoffgas vom Wasserstofftank 30 zulässt
oder unterbindet, einen Regler 34, der den Druck des Wasserstoffgases einstellt,
sowie einen Injektor 35. Ein erster Drucksensor 41 und
ein Temperatursensor 42 sind an der stromaufwärtigen
Seite des Injektors 35 angeordnet. Der erste Drucksensor 41 erfasst
den Druckwert des Wasserstoffgases in dem Wasserstoffzufuhrpfad 31, und
der Temperatursensor 42 erfasst die Temperatur des Wasserstoffgases
im Wasserstoffzufuhrpfad 31. Ein zweiter Drucksensor 43,
der den Druckwert des Wasserstoffgases in dem Wasserstoffzufuhrpfad 31 erfasst,
ist an der stromabwärtigen Seite des Injektors 35,
aber an der stromaufwärtigen Seite eines Verbindungsabschnitts
des Wasserstoffzufuhrpfades 31 und des Zirkulationsflußpfades 32,
vorgesehen.
-
Der
Regler 34 ist eine Vorrichtung, die den stromaufwärtigen
Druck (den Primärdruck) auf einen voreingestellten Sekundärdruck
regelt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein mechanisches Druckverringerungsventil,
das den Primärdruck verringert, als Regler 34 verwendet.
Das mechanische Druckverringerungsventil kann eine allgemein bekannte
Konstruktion aufweisen, die ein Gehäuse umfasst, in dem
eine Gegendruck-Kammer und eine Druckregulierungskammer mit einer
dazwischen angeordneten Membran ausgebildet sind, wobei der Primärdruck
in der Druckregulierungskammer durch den Gegendruck in der Gegendruckkammer
auf einen vorgegebenen Druck verringert wird, um dadurch den Sekundärdruck
zu erhalten. Bei dieser Ausführungsform kann der Druck
auf der stromaufwärtigen Seite des Injektors 35 effektiv
durch das Anordnen von zwei Reglern 34 auf der stromaufwärtigen
Seite des Injektors 35 verringert werden, wie in 1 dargestellt.
Die macht es möglich, die Designfreiheit der mechanischen
Struktur des Injektors 35 (das Ventilelement, das Gehäuse,
die Flußpfade, eine Antriebseinheit und dergleichen) zu
erhöhen. Da ferner der Druck an der stromaufwärtigen
Seite des Injektors 35 reduziert werden kann, ist es möglich, eine
ungleichmäßige Bewegung des Ventilelements des
Injektors 35 aufgrund einer erhöhten Differenz zwischen
dem stromaufwärts-seitigen Druck und dem stromabwärts-seitigen
Druck des Injektors 35 einzuschränken. Daher kann
der variable Druckregulierungsbereich des stromabwärts-seitigen
Drucks des Injektors 35 erweitert werden und eine Verschlechterung
des Ansprechverhaltens des Injektors 35 kann eingeschränkt
werden.
-
Der
Injektor 35 ist ein elektromagnetisch angetriebenes An-Aus-Ventil,
das geeignet ist, eine Gasflußrate und einen Gasdruck durch
direktes Ansteuern des Ventilelements mit einer elektromagnetischen
Antriebskraft zu einem vorgegebenen Arbeitszyklus, zum Bewegen des
Ventilelements weg vom Ventilsitz, einzustellen. Der Injektor 35 hat
einen Ventilsitz mit einem Injektionsloch, durch das gasförmiger
Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoffgas, gesprüht
wird, einen Düsenkörper, der den zugeführten
gasförmigen Brennstoff dem Injektionsloch zuführt,
sowie ein Ventilelement, das in axiale Richtung (in die Richtung,
in die das Gas strömt) relativ zum Düsenkörper
beweglich aufgenommen und gehalten wird, und das das Injektionsloch öffnet
und schließt. Das Ventilelement des Injektors 35 wird
beispielsweise von einem Magnet bzw. Solenoid angetrieben und der Öffnungsbereich
des Injektionslochs kann in zwei oder mehreren Stufen durch An-
und Ausschalten eines gepulsten Erregerstroms zum Solenoid geschalten
werden. Die Gasinjektionszeit und der Gasinjektionszeitpunkt des
Injektors 35 werden durch Steuersignale gesteuert, die
von der Steuerung 4 ausgegeben werden, um dadurch die Flußrate
und den Druck des Wasserstoffgases mit hoher Genauigkeit zu steuern.
Der Injektor 35 ist geeignet, das Ventil (das Ventilelement
und den Ventilsitz) durch eine elektromagnetische Antriebskraft
direkt anzusteuern, um ein Öffnen/Schließen des
Ventils zu erzwingen, wobei der Arbeitszyklus in einem Bereich mit
hohem Ansprechverhalten gesteuert werden kann, und dadurch ein hohes
Ansprechverhalten aufweist.
-
Bei
der vorliegenden Ausführungsform ist der Injektor 35 an
einer stromaufwärtigen Seite eines Verbindungs- bzw. Zusammenflußabschnitts
A1 des Wasserstoffzufuhrpfades 31 und des Zirkulationsflußpfades 32 angeordnet,
wie in 1 dargestellt. Wenn eine Mehrzahl von Wasserstofftanks 30 als Wasserstoffzufuhrquellen
verwendet werden, ist der Injektor 35 an der stromabwärtigen
Seite eines Abschnitts angeordnet, an dem die von den jeweiligen Wasserstofftanks 30 zugeführten
Wasserstoffgase zusammenfließen (ein Wasserstoffgas-Zusammenflußabschnitt
A2), wie durch die gestrichelten Linien in 1 dargestellt.
-
Ein
Entladeflußpfad 38 ist mit dem Zirkulationsflußpfad 32 durch
einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider 36 und ein Abgasablassventil 37 verbunden.
Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 36 gewinnt Feuchtigkeit
aus dem Wasserstoffabgas zurück. Das Abgasablassventil 37 wird
durch einen Befehl der Steuerung 4 betätigt, um
die durch den Gas-Flüssigkeits-Abscheider 36 zurück
gewonnene Feuchtigkeit und das Wasserstoffabgas im Zirkulationsflußpfad 32,
das Verunreinigungen enthält, nach außen abzulassen
(zu entleeren). Der Zirkulationsflußpfad 32 ist mit
einer Wasserstoffpumpe 39 vorgesehen, die das Wasserstoffabgas
im Zirkluationsflußpfad unter Druck setzt und das unter
Druck gesetzte Wasserstoffabgas dem Wasserstoffzufuhrpfad 31 zuführt. Das
durch das Abgasablassventil 37 und den Entladeflußpfad 38 ausgestoßene
Wasserstoffabgas wird durch einen Verdünner 40 verdünnt
und dann mit einem Oxidationsgasabgas im Abgasflußpfad 23 vermischt.
-
Die
Steuerung 4 erfasst eine manipulierte Variable eines Beschleunigungselements
(beispielsweise eines Gaspedals), das im Fahrzeug vorgesehen ist,
und steuert den Betrieb unterschiedlicher Arten von Ausrüstung
im System in Reaktion auf eine Steuerinformation, die einen benötigten
Beschleunigungswert (z. B. eine benötigte Leistungserzeugungsmenge
für eine Lastvorrichtung, wie den Antriebsmotor 12)
beinhaltet. Die Lastvorrichtung wird als generischer bzw. Sammel-Begriff
für Leistung verbrauchende Vorrichtungen verwendet, wie
beispielsweise Hilfsvorrichtungen, die notwendig sind, um die Brennstoffzelle 10 zu
betreiben (z. B. den Motor des Kompressors 24 und den Motor
der Wasserstoffpumpe 39), sowie, zusätzlich zum
Antriebsmotor 12, die Aktuatoren, die mit unterschiedlichen
Vorrichtungen beim Fahren des Fahrzeugs verwendet werden (ein Getriebe,
eine Radsteuerung, eine Lenkvorrichtung, eine Aufhängungsvorrichtung,
und dergleichen), Klimaanlagenvorrichtungen (Klimaanlagen), Beleuchtung,
Audioeinrichtungen, und dergleichen mehr im Fahrgastraum.
-
Der
Steuerung 4 besteht aus einem Computersystem, das nicht
dargestellt ist. Das Computersystem hat eine CPU, ein ROM, ein RAM,
eine HDD, I/O-Schnittstellen, ein Display und dergleichen. Die CPU
liest und führt verschiedene Arten von Steuerprogrammen
aus, die im ROM gespeichert sind, um verschiedene Steuerungen durchzuführen.
-
Genauer
gesagt berechnet, wie in 2 dargestellt, die Steuerung 4 die
Menge des von der Brennstoffzelle 10 verbrauchten Wasserstoffgases (nachfolgend
als „Wasserstoffverbrauchsmenge” bezeichnet) auf
Basis des Betriebszustands (Stromwert zum Zeitpunkt der Leistungserzeugung
durch die Brennstoffzelle 10, der von Stromsensor 13 erfasst wird)
der Brennstoffzelle 10 (Brenngasverbrauchsmengen-Berechnungsfunktion:
B1). Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine spezifische
Berechnungsgleichung, die die Beziehung zwischen dem Stromwert und
der Wasserstoffverbrauchsmenge der Brennstoffzelle 10 anzeigt,
dazu verwendet, um die Wasserstoffverbrauchs menge bei jedem Berechnungszyklus
der Steuerung 4 zu berechnen und zu aktualisieren.
-
Ferner
berechnet die Steuerung 4 den Solldruckwert des Wasserstoffgases
(der Solldruck des Gases, das der Brennstoffzelle 10 zugeführt
werden soll) an einer Stelle stromabwärts vom Injektor 35 auf Basis
des Betriebszustands der Brennstoffzelle 10 (Stromwert
zum Zeitpunkt der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 10,
der von Stromsensor 13 erfasst wird) (Solldruckwert-Berechnungsfunktion: B2).
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein spezifisches
Kennfeld, dass die Beziehung zwischen den Stromwerten der Brennstoffzelle 10 und
den Solldruckwerten anzeigt, dazu verwendet, um den Solldruckwert
an der Stelle, an der der zweite Drucksensor 43 angeordnet
ist, bei jedem Berechnungszyklus der Steuerung 4 zu berechnen
und zu aktualisieren.
-
Ferner
berechnet die Steuerung 4 eine Feedback-Korrektur-Flußrate
auf Basis der Differenz zwischen dem berechneten Solldruckwert und
dem Druckwert (dem erfassten Druckwert), der vom zweiten Drucksensor 43 an
der Stelle stromabwärts vom Injektor 35 erfasst
wird (Feedback-Korrektur-Flußraten-Berechnungsfunktion:
B3). Die Feedback-Korrektur-Flußrate ist die Wasserstoffgas-Flußrate,
die der Wasserstoffverbrauchsmenge hinzugefügt werden muß,
um die Differenz zwischen einem Solldruckwert und einem erfassten
Druckwert zu verringern. Bei der vorliegenden Ausführungsform
wird ein PI-Feedback-Steuergesetz verwendet, um die Feedback-Korrektur-Flußrate
bei jedem Berechnungszyklus der Steuerung 4 zu berechnen
und zu aktualisieren.
-
Ferner
berechnet die Steuerung 4 die statische Flußrate
stromaufwärts vom Injektor 35 auf Basis des Gaszustandes
(dem Druck des Wasserstoffgases, der vom ersten Drucksensor 41 erfasst
wird, und der Temperatur des Wasserstoffgases, die vom Temperatursensor 42 erfasst
wird) stromaufwärts vom Injektor 35 (statische-Flußraten-Berechnungsfunktion:
B4). Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine spezifische
Gleichung, die die Beziehung zwischen dem Druck und der Temperatur
des Wasserstoffgases an der stromaufwärtigen Seite des
Injektors 35 und der statischen Flußrate zeigt,
dazu verwendet, um die statische Flußrate bei jedem Berechnungszyklus
der Steuerung 4 zu berechnen und zu aktualisieren.
-
Ferner
berechnet die Steuerung 4 die unwirksame Injektionszeit
des Injektors 35 auf Basis des Gaszustands (der Druck und
die Temperatur des Wasserstoffgases) stromaufwärts vom
Injektor 35 und einer angelegten Spannung (unwirksame-Injektionszeit-Berechnungsfunktion:
B5). Hierbei bedeutet unwirksame Injektionszeit die Zeit, die vom
Zeitpunkt des Empfangs eines Steuersignals von der Steuerung 4 durch
den Injektor 35 bis zum tatsächlichen Beginn der
Injektion, benötigt wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform
wird ein spezifisches Kennfeld, das die Beziehung von Druck und
Temperatur des Wasserstoffgases an der stromaufwärtigen
Seite des Injektors 35, der angelegten Spannungen, und
der unwirksamen Injektionszeit zeigt, dazu verwendet, um bei jedem
Berechnungszyklus der Steuerung 4 die unwirksame Injektionszeit
zu berechnen und zu aktualisieren.
-
Ferner
berechnet die Steuerung 4 die Injektionsflußrate
des Injektors 35 durch addieren einer Wasserstoffverbrauchsmenge
und einer Feedback-Korrektur-Flußrate (Injketionsflußraten-Berechnungsfunktion:
B6). Die Steuerung 4 berechnet zudem den Antriebs- bzw.
Betriebszyklus des Injektors 35 auf Basis der Injektionsflußrate
des Injektors 35 und dem Primärdruckwert (der
Druck des Wasserstoffgases an der stromaufwärtigen Seite
des Injektors 35), der vom ersten Drucksensor 41 erfasst
wurde (Betriebszyklus-Berechnungsfunktion: B7). Hierbei bedeutet
Betriebszyklus einen Zyklus T mit stufenförmiger (AN/AUS)
Wellenform, die bezeichnend ist für den Offen/Geschlossen-Zustand
des Injektionsloches des Injektors 35, wie in 3A dargestellt. Bei
der vorliegenden Ausführungsform wird ein spezifisches
Kennfeld, das die Beziehung von Injektionsflußrate des
Injektors 35, Primärdruckwert und Betriebszyklus
T darstellt, dazu verwendet, um den Betriebszyklus T bei jedem Berechnungszyklus
der Steuerung 4 zu berechnen und zu aktualisieren.
-
Ferner
setzt die Steuerung 4 einen oberen Grenzwert RU einer
Einschaltdauer bei jedem berechneten Betriebszyklus T (das Verhältnis
der Ventil-Offen-Zeit TON bei jedem Betriebszyklus
T) (Einschaltdauer-Begrenzungsfunktion: B8). Zu diesem Zeit punkt
setzt die Steuerung 4 den oberen Grenzwert RU der
Einschaltdauer auf Basis einer Druckerholungszeit TS,
die von dem Zeitpunkt eines Befehls zum Schließen des Ventils
des Injektors 35 bis zu dem Zeitpunkt, an dem sich der
vom zweiten Drucksensor 43 erfasste Druckwerk auf einen
spezifischen, repräsentativen Druckwert PM erholt,
benötigt wird (die Druckerholungszeit TS ist
ein Wert, der durch Addieren einer Ventilverschluß-Verzögerungszeit
TV, die von dem Zeitpunkt des Befehls zum Schließen
des Ventils des Injektors 35 bis zu dem Zeitpunkt, an dem
das Ventil tatsächlich geschlossen wird, benötigt
wird, und einer Antwortverzögerungszeit TD des
zweiten Drucksensors 43, erhalten wird), wie in 3B dargestellt.
Genauer gesagt glättet die Steuerung 4 einen erfassten
Druckwert am zweiten Drucksensor 43 (durch Anwendung von,
z. B., einem gleitenden Mittelwert) und zwangsversichert (forcibly ensures)
den Wert, der durch Addition einer Filterverzögerungszeit
TF, die für den Glättvorgang
benötigt wird, und der Druckerholungszeit TS erhalten
wird als eine Ventilverschlußzeit TOFF bei
jedem Betriebszyklus T. Das in 4 dargestellte
Kennfeld zeigt den oberen Grenzwert RU der
Einschaltdauer bei jedem Betriebszyklus T, wie vorstehend beschrieben.
Die Steuerung 4 dient als Steuereinrichtung in der vorliegenden
Erfindung.
-
Die
Steuerung 4 führt die Erfassung des Drucks des
Wasserstoffgases durch den zweiten Drucksensor 43 nach
Ablauf einer bestimmten Zeit seit dem Schließen des Ventils
des Injektors 35 aus. Mit anderen Worten: Die Steuerung 4 schiebt
die Erfassung des Drucks des Wasserstoffgases durch den zweiten
Drucksensor 43 zumindest so lange auf, bis die Druckerholungszeit
TS seit den Zeitpunkt des Befehls zum Schließen
des Ventils des Injektors 35 verstrichen ist, und führt
dann, nach Ablauf der Druckerholungszeit TS,
die Druckerfassung aus. Auf diese Weise stellt die Steuerung 4 den
oberen Grenzwert RU der Einschaltdauer in
jedem Betriebszyklus T ein und führt die Erfassung des
Drucks des Wasserstoffgases durch den zweiten Drucksensor 43 nach
Ablauf der bestimmten Zeit seit dem Zeitpunkt des Schließens
des Ventils des Injektors 35 aus, wodurch es möglich
wird, die Differenz zwischen dem vom zweiten Drucksensor 43 erfassten
Druckwert, wenn der Injektor 35 in Betrieb ist, und einem
Solldruckwert auf einen vorgegebenen Wert oder darunter zu begrenzen.
-
Ferner
multipliziert die Steuerung 4 den Wert, der durch Division
der Injektionsflußrate des Injektors 35 durch
die statische Flußrate erhalten wird, mit dem Betriebszyklus
T des Injektors 35 (bei gesetztem oberen Grenzwert RU der Einschaltzeit), um eine Basis-Injektionszeit
des Injektors 35 zu berechnen, und addiert die Basis-Injektionszeit
und die unwirksame Injektionszeit, um die Gesamtinjektionszeit des
Injektors 35 zu berechnen (Gesamtinjektionszeit-Berechnungsfunktion:
B9). Dann gibt die Steuerung 4 ein Steuersignal zum Ausführen
der Gesamtinjektionszeit des Injektors 35, die anhand des
vorstehend beschriebenen Verfahrens berechnet wurde, aus, um die
Gasinjektionszeit und den Gasinjektionszeitpunkt des Injektors 35 zu
steuern, und stellt dabei die Flußrate und den Druck des
der Brennstoffzelle 10 zugeführten Wasserstoffgases
ein.
-
Bezug
nehmend auf das Flussdiagramm aus 5 wird nachfolgend
das Betriebsverfahren des Brennstoffzellensystems 1 gemäß der
vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
-
Bei
einem normalen Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems 1 wird
das Wasserstoffgas einer Brenngaselektrode der Brennstoffzelle 12 durch
den Wasserstoffzufuhrpfad 31 vom Wasserstofftank 30 zugeführt,
und Luft mit eingestellter Feuchtigkeit wird einer Oxidationselektrode
der Brennstoffzelle 10 durch den Luftzufuhrpfad 21 zugeführt,
wodurch elektrische Leistung erzeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird
die von der Brennstoffzelle 10 zu erhaltende Leistung (die
benötigte Leistung) von der Steuerung 4 berechnet
und das Wasserstoffgas und die Luft werden in den auf der zu erzeugenden Leistung
basierenden Mengen der Brennstoffzelle 10 zugeführt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird er Druck des
der Brennstoffzelle 10 zuzuführenden Wasserstoffgases
im normalen Betriebsmodus mit hoher Genauigkeit gesteuert.
-
Genauer
gesagt erfasst die Steuerung 4 zuerst unter Verwendung
des Stromsensors 13 einen Stromwert zum Zeitpunkt der Leistungserzeugung der
Brennstoffzelle 10 (ein Stromerfassungsschritt: S1). Danach
berechnet die Steuerung 4 die Menge des von der Brennstoffzelle 10 verbrauchten
Wasserstoffs (Wasserstoffverbrauchsmenge) auf Basis des Stromwerts,
der vom Stromsensor 13 erfasst wurde (Brenngasverbrauchsmengenberechnungsschritt: S2).
-
Danach
berechnet die Steuerung 4 den Solldruckwert des Wasserstoffgases
an einer Position auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 35 auf Basis
des vom Stromsensor 13 erfassten Stromwerts, und erfasst
zudem den Druckwert an der Position stromabwärts vom Injektor 35 unter
Verwendung des zweiten Drucksensors 43. Dann berechnet
die Steuerung 4 eine Feedback-Korrektur-Flußrate
auf Basis der Differenz zwischen dem berechneten Solldruckwert und
dem erfassten Druckwert (Feedback-Korrektur-Flußraten-Berechnungsschritt:
S3):
-
Anschließend
addiert die Steuerung 4 die Wasserstoffverbrauchsmenge,
die im Brenngasverbrauchsmengenberechnungsschritt S2 berechnet wurde,
und die Feedback-Korrektur-Flußrate, die im Feedback-Korrektur-Flußraten-Berechnungsschritt S3
berechnet wurde, um die Injektsionsflußrate des Injektors 35 zu
berechnen (Injektionsflußratenberechnungsschritt: S4).
Die Steuerung 4 berechnet ferner die statische Flußrate
stromaufwärts vom Injektor 35 auf Basis des Drucks
des Wasserstoffgases an der stromaufwärtigen Seite des
Injektors, der vom ersten Drucksensor 41 erfasst wird,
und der Temperatur des Wasserstoffgases stromaufwärts vom
Injektor 35, die vom Temperatursensor 42 erfasst
wird (statische-Flußraten-Berechnungsschritt: S5).
-
Danach
berechnet die Steuerung 3 den Betriebszyklus des Injektors 35 auf
Basis der Injektionsflußrate de Injektors 35,
die im Injektionsflußratenberechnungsschritt S4 berechnet
wurde, und dem Primärdruck, der vom ersten Drucksensor 41 erfasst wurde
(Betriebszyklus-Berechnungsschritt: S6). Dann setzt die Steuerung 4 den
oberen Grenzwert der Einschaltdauer in jedem im Betriebszyklus-Berechnungsschritt
S6 berechneten Betriebszyklus (Einschaltdauer-Begrenzungsschritt:
S7). Anschließend berechnet die Steuerung 4 die
Basis-Injektionszeit des Injektors 35 durch Multiplizieren
des Wertes, der durch Division der Injektionsflußrate des
Injektors 35 durch die statische Flußrate erhalten
wird, mit dem Betriebszyklus des Injektors 35 (bei eingestelltem
oberen Grenzwert der Einschaltdauer) (Basis-Injektionszeit-Berechnungsschritt:
S8).
-
Anschließend
berechnet die Steuerung 4 die unwirksame Injektionszeit
des Injektors 35 auf Basis des Drucks des Wasserstoffgases
stromaufwärts vom Injektor 35, der vom ersten
Drucksensor 41 erfasst wurde, der Temperatur des Wasserstoffgases stromaufwärts
vom Injektor 35, die vom Temperatursensor 42 erfasst
wurde, und einer angelegten Spannung (unwirksame-Injektionszeit-Berechnungsschritt:
S9). Dann addiert die Steuerung 4 die Basis-Injektionszeit
des Injektors 35, die im Basis-Injektionszeit-Berechnungsschritt
S8 berechnet wurde, und die unwirksame Injektionszeit, die im unwirksame-Injektsionszeit-Berechnungsschritt
S9 berechnet wurde, um dadurch die Gesamtinjektionszeit des Injektors 35 zu
berechnen (Gesamtinjektionszeit-Berechnungsschritt S10).
-
Dann
gibt die Steuerung 4 ein auf die Gesamtinjektionszeit des
Injektors 35, die im Gesamtinjektionszeit-Berechnungsschritt
S10 berechnet wurde, bezogenes Steuersignal aus, um die Gasinjektionszeit
und den Gasinjektionszeitpunkt des Injektors 35 zu steuern,
um dadurch die Flußrate und den Druck des der Brennstoffzelle 10 zuzuführenden Wasserstoffgases
einzustellen.
-
Bei
dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der
vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann die Einschaltdauer
in jedem Betriebszyklus des Injektors 35 mit einem oberen
Grenzwert versehen werden (mit anderen Worten: eine vorbestimmte Ventilverschlußzeit
kann in jedem Betriebszyklus des Injektors 35 zwangsversichert
werden). Die macht es daher möglich, den Druckerfassungsfehler
des Wasserstoffgases, der einer extrem kurzen Ventilverschlußzeit
des Injektors zuzuschreiben ist, zu reduzieren. Im Umkehrschluss
ermöglicht dies, die Genauigkeit unterschiedlicher Arten
von Steuerungen (z. B. der Feedback-Steuerung des Injektors 35)
basierend auf den Druckerfassungsergebnissen des Wasserstoffgases
zu verbessern.
-
Bei
der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wurde das
Beispiel gezeigt, bei dem, zum Zeitpunkt des Setzens des oberen
Grenzwerts der Einschaltdauer in jedem Betriebszyklus des Injektors 35,
der durch Addition der Druckerholungszeit TS (der Wert,
der durch Addition der Ventilverschlußverzögerungszeit,
die vom Zeitpunkt des Befehls zum Schließen des Ventils
des Injektors 35 bis zum tatsächlichen Schließen
des Ventils, benötigt wird, und der Antwortverzögerungszeit
des zweiten Drucksensors 43 erhalten wird) und der Filterverzögerungszeit
TF, die zum Glätten des vom zweiten
Drucksensor 43 erfassten Druckwerts benötigt wird,
erhaltene Wert als Ventilverschlusszeit TOFF in
jedem Betriebszyklus versichert wird; jedoch ist die Technik zum
Setzen des oberen Grenzwerts der Einschaltdauer nicht darauf beschränkt.
Beispielsweise ist es möglich, bei dem Fall, wo kein Glättvorgang
ausgeführt wird, dass die Druckerholungszeit TS und
die Ventilverschlußzeit TOFF zusammenfallen.
-
Ferner
wurde die vorstehend beschrieben Ausführungsform als ein
Beispiel gezeigt, bei dem, um den Fehler eines vom zweiten Drucksensor 43 erfassten
Drucks zu minimieren, der obere Grenzwert der Einschaltdauer in
jedem Betriebszyklus des Injektors 35 gemäß der
Druckerholungszeit TS eingestellt wurde,
wobei die Antwortverzögerungszeit des zweiten Drucksensors 43 und
die Filterverzögerungszeit berücksichtigt wurden.
Alternativ kann der obere Grenzwert der Einschaltzeit jedoch derart
eingestellt werden, dass der Fehler eines vom ersten Drucksensor 41 erfassten
Drucks minimiert wird. Zu diesem Zeitpunkt wird vorzugsweise der
obere Grenzwert der Einschaltzeit in jedem Betriebszustand des Injektors 35 auf
Basis der Druckerholungszeit unter Berücksichtigung der
Antwortverzögerungszeit des ersten Drucksensors 41 und
der Filterverzögerungszeit festgesetzt.
-
Ferner
wurde die vorstehend beschriebene Ausführungsform als ein
Beispiel gezeigt, bei dem der obere Grenzwert der Einschaltdauer
in dem Betriebszyklus des Injektors 35 über den
gesamten Betriebsbereich eingestellt wird. Alternativ jedoch kann ein
eingestellter oberer Grenzwert der Einschaltdauer in einem bestimmten
Betriebsbereich (z. B. einem Hochlast-Betriebsbereich, bei dem die
Geschwindigkeit der Druckbeaufschlagung des Injektors zum Zeitpunkt
der Begrenzung der Einschaltdauer kleiner erwartet wird als eine
gewünschte Druckerhöhungsgeschwindigkeit) gelöscht
werden.
-
Ferner
wurde die vorstehend beschriebene Ausführungsform als ein
Beispiel gezeigt, bei dem das Wasserstoffgasleitungssystem 6 des
Brennstoffzellensystems 1 mit dem Zirkluationsflußpfad 32 vorgesehen
ist. Gleichwohl kann der Entladeflußpfad 38 direkt
mit der Brennstoffzelle 10 verbunden sein und damit den
Zirkulationsflußpfad 32 auslassen. Bei Verwendung
einer derartigen Konstruktion (so genanntes Dead-End-System) können,
durch Vorsehen eines oberen Grenzwerts für die Einschaltzeit
in jedem Betriebszyklus des Injektors 35 durch die Steuerung 4 auf
die gleiche Weise wie bei der vorgenannten Ausführungsform,
die gleichen Funktionen und Vorteile erhalten werden, wie jene der
vorstehenden Ausführungsform.
-
Die
vorstehend beschriebene Ausführungsform zeigt das Beispiel,
bei dem der Zirkulationsflußpfad 32 mit der Wasserstoffpumpe 39 vorgesehen
ist. Alternativ kann jedoch auch eine Saugstrahlpumpe bzw. ein Strahlverdichter
(Ejektor) an Stelle der Wasserstoffpumpe 39 verwendet werden.
Ferner zeigt die vorgenannte Ausführungsform das Beispiel,
bei dem der Wasserstoffzufuhrpfad 31 mit dem Sperrventil 33 und
dem Regler 34 vorgesehen ist. Alternativ ist es jedoch
nicht immer nötig, das Sperrventil 33 und den Regler 34 vorzusehen,
da der Injektor 35 als variables Regulierventil und auch
als Sperrventil zum Absperren der Zufuhr von Wasserstoffgas dient.
Daher macht es die Verwendung des Injektors 35 möglich, auf
das Sperrventil 33 und den Regler 34 zu verzichten,
wodurch das System kleiner und weniger teuer wird.
-
Gewerbliche Anwendbarkeit
-
Das
Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung kann an einem
Brennstoffzellenfahrzeug angebracht sein, wie in der vorstehenden
Ausführungsform gezeigt, und kann darüber hinaus auch,
zusätzlich zu einem Brennstoffzellenfahrzeug, an einer
Mehrzahl von mobilen Objekten (z. B. einem Roboter, einem Schiff,
einem Flugzeug, oder dergleichen) installiert sein. Ferner kann
das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung auch auf feste Leistungserzeugungssysteme
angewandt werden, die als Leistungserzeugungsausrüstung
für ein Gebäude (ein Haus, ein Gebäude
oder dergleichen) verwendet werden.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
[1]
zeigt ein Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung.
-
[2]
zeigt ein Steuer-Blockschaubild zur Erläuterung, wie eine
Steuerung des Brennstoffzellensystems aus 1 eine Steuerung
ausführt.
-
[3A]
zeigt ein Zeitschaubild eines AN/AUS-Befehlssignals eines Injektors
des Brennstoffzellensystems aus 1.
-
[3B]
zeigt ein Zeitschaltbild eines erfassten Druckwerts auf einer stromabwärtigen
Seite des Injektors des Brennstoffzellensystems aus 1.
-
[4]
zeigt ein Kennfeld, das die Beziehung zwischen einem Injektorbetriebszyklus
des Brennstoffzellensystems aus 1 und einem
oberen Grenzwert der Einschaltdauer darstellt.
-
[5]
zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Betriebsverfahrens
des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems.
-
Erläuterung der Bezugszeichen
-
- 1....Brennstoffzellensystem, 4....Steuerung
(Steuereinrichtung), 10....Brennstoffzelle, 30....Wasserstofftank
(Brenngaszufuhrquelle), 31....Wasserstoffzufuhrpfad (Brenngaszufuhrpfad), 35....Injektor (An-Aus-Ventil), 43....zweiter
Drucksensor.
-
Zusammenfassung
-
Brennstoffzellensystem
-
[Zu
lösende Probleme] Ein Brennstoffzellensystem mit einem
An-Aus-Ventil, beispielsweise einem Injektor, das in einem Brenngaszufuhrpfad
angeordnet ist, beschränkt einen Erfassungsfehler eines
Brenngases in der Umgebung des An-Aus-Ventils auf einen niedrigen
Wert.
-
[Mittel
zur Lösung der Probleme] Das beanspruchte Brennstoffzellensystem
umfasst eine Brennstoffzelle, einen Brenngaszufuhrpfad zur Zufuhr
von Brenngas, das von einer Brennstoffzufuhrquelle zugeführt
wird, zur Brennstoffzelle, ein An-Aus-Ventil, das den Zustand eines
Gases auf einer stromaufwärtigen Seite des Brenngaszufuhrpfades
einstellt und dann das Gas zu einer stromabwärtigen Seite
führt, sowie eine Steuereinrichtung, die den Betrieb des
An-Aus-Ventils zu einem vorgegebenem Arbeitszyklus steuert, wobei
die Steuereinrichtung einen oberen Grenzwert einer Einschaltdauer zu
jedem Arbeitszyklus des An-Aus-Ventils einstellt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 2007-165237
A [0003]