DE112008003031T5 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellensystem, aufweisend:
eine Brennstoffzelle;
einen Brenngaszufuhrpfad zur Zufuhr von Brenngas, das von einer Brennstoffzufuhrquelle zugeführt wird, zur Brennstoffzelle;
ein An-Aus-Ventil, das einen Zustand eines Gases an einer stromaufwärtigen Seite des Brenngaszufuhrpfades einstellt und das Gas einer stromabwärtigen Seite zuführt; 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.

Description

  • 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]

Claims (5)

  1. Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle; einen Brenngaszufuhrpfad zur Zufuhr von Brenngas, das von einer Brennstoffzufuhrquelle zugeführt wird, zur Brennstoffzelle; ein An-Aus-Ventil, das einen Zustand eines Gases an einer stromaufwärtigen Seite des Brenngaszufuhrpfades einstellt und das Gas einer stromabwärtigen Seite zuführt; 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.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen Drucksensor, der einen Druckwert des Brenngases an der stromabwärtigen Seite des An-Aus-Ventils des Brenngaszufuhrpfades erfasst, wobei die Steuereinrichtung den oberen Grenzwert auf Basis einer Druck-Erholungszeit einstellt, die von einem Zeitpunkt eines Ventil-Schließen-Befehls des An-Aus-Ventils bis zu einem Zeitpunkt, an dem der am Drucksensor erfasste Wert sich erholt, benötigt wird.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend einen Drucksensor, der einen Druckwert des Brenngases an der stromabwärtigen Seite des An-Aus-Ventils des Brenngaszufuhrpfades erfasst, wobei die Steuereinrichtung den oberen Grenzwert derart einstellt, dass eine Differenz zwischen einem erfassten Druckwert am Drucksensor während das An-Aus-Ventil in Betrieb ist, und einem Solldruckwert ein vorbestimmter Wert oder weniger ist.
  4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner aufweisend einen Drucksensor, der einen Druckwert des Brenngases an der stromabwärtigen Seite des An-Aus-Ventils des Brenngaszufuhrpfades erfasst, wobei die Steuereinrichtung die Druckerfassung des Brenngases durch den Drucksensor ausführt, nachdem eine vorgegebene Zeit seit dem Zeitpunkt des Schließens des An-Aus-Ventils verstrichen ist.
  5. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das An-Aus-Ventil ein Injektor ist.
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