DE112013002056T5

DE112013002056T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112013002056T5
Application number: DE112013002056.4T
Authority: DE
Inventors: c/o Honda R&D Co. Ltd. Ueda Kenichiro; c/o Honda R&D Co. Ltd. Taruya Kenji; c/o Honda R&D Co. Ltd. Hamachi Masakazu; c/o Honda R&D Co Ltd. Koiwa Nobuki
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2015-01-08
Anticipated expiration: 2033-04-13
Also published as: WO2013157488A1; US20150086894A1; JPWO2013157488A1; CN104247120B; JP5698410B2; CN104247120A; DE112013002056B4; US10249889B2

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem umfasst: eine Oxidationsmittel-Pumpe (21) vom Turbo-Typ, deren Drehwelle durch ein Luftlager drehbar gelagert ist, um durch die Drehbewegung ein Oxidationsmittel-Gas aufzunehmen und einer Brennstoffzelle (10) zuzuführen; ein Ist-Strömungsrate-Erfassungsmittel (Q) für das Oxidationsmittel-Gas; ein Druckeinstellmittel (24) für das Oxidationsmittel-Gas; ein Drehzahl-Überwachungsmittel (40) für die Oxidationsmittel-Pumpe (21); und ein Steuer-/Regelmittel (40) welches dann, wenn die Drehzahl von der Oxidationsmittel-Pumpe (21) innerhalb des Bereichs von der minimalen Drehzahl liegt, welche es erlaubt, dass die Drehwelle durch das Luftlager drehbar gelagert wird, wenn die Ist-Strömungsrate von dem Oxidationsmittel-Gas größer als eine Ziel-Strömungsrate ist, den Druck von dem Oxidationsmittel-Gas vermittels des Druckeinstellmittels (24) erhöht.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, welches unter Verwendung von Brenngas und Oxidationsgas elektrische Energie erzeugt.
Technischer Hintergrund
Das Brennstoffzellensystem ist ein Energieerzeugungssystem, in welchem eine Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack) elektrochemisch elektrische Energie erzeugt unter Verwendung von Brenngas, welches von einer Brenngasquelle zugeführt wird, und Oxidationsgas, welches von einer Oxidationsgasquelle zugeführt wird. Üblicherweise wird Luft als das Oxidationsgas verwendet und wird durch einen Kompressor zu der Brennstoffzelle gepumpt.
Gemäß der Patentliteratur 1 berechnet eine Steuer-/Regeleinrichtung die Ziel-Drehzahl von dem Kompressor, welcher die Luft zu der Brennstoffzelle pumpt, auf Basis der Beschleunigerposition, der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Luftströmungsrate in einem Brennstoffzellenauto, und steuert/regelt die Drehzahl von dem Kompressor und die Strömungsrate von der der Brennstoffzelle zugeführten Luft. Wenn beispielsweise der Wert von der Strömungsrate, welche von einem Strömungsratensensor erfasst wird, innerhalb eines auf der Grundlage des Betriebszustands der Brennstoffzelle berechneten Normalbereichs liegt, wird die Luftströmungsrate unter Verwendung des erfassten Werts von der Strömungsrate rückkopplungsgesteuert/-geregelt. Wenn der erfasste Wert von der Strömungsrate von dem Normalbereich abweicht, wird die Luftströmungsrate (die Drehzahl von dem Kompressor) vorwärtsgesteuert/-geregelt.
Literaturstellenliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2010-241384

Übersicht der Erfindung
Technisches Problem
Im übrigen ist ein Typ von dem obigen Kompressor die Luftpumpe vom Turbo-Typ, deren Welle durch ein Luftlager gelagert ist. In manchen Fällen, in welchen das Luftlager verwendet wird, kann nur durch die Steuerung/Regelung der Drehzahl der Brennstoffzelle Luft mit einer gewünschten Strömungsrate nicht zugeführt werden. Insbesondere in dem Fall, in welchem ein Versuch unternommen wird, die Luft mit einer gewünschten Strömungsrate zuzuführen, durch eine Rückkopplungssteuerung/-regelung der Drehzahl unter Verwendung des erfassten Werts der Luftströmungsrate, wenn ein Befehlswert von der Drehzahl nahe der niedrigsten Drehzahl liegt, welche für ein Schweben bzw. eine Flotation der Welle durch das Luftlager erforderlich ist, kann die Luft nur durch die Steuerung/Regelung der Drehzahl nicht mit der gewünschten Luftströmungsrate zugeführt werden. Beispielsweise wird festgestellt, dass dann, wenn der Befehlswert von der Drehzahl von der Luftpumpe aufgrund von Fehlern in dem Strömungsratensensor und Schwankungen in dem Einlassluftdruck und der Temperatur auf die Untergrenze fixiert ist, die Strömungsrate von der Luftpumpe aufgrund einer Charakteristik außerordentlich zunimmt, welche für die Luftpumpe spezifisch ist. (Siehe 4).
Es wird auch festgestellt, dass das obige Phänomen insbesondere in dem System bedeutend wird, in welchem eine Einrichtung (wie zum Beispiel ein Befeuchter-Bypassventil), welches die Größe des Druckverlusts verändert, zwischen der Luftpumpe und der Brennstoffzelle angeordnet ist.
In Anbetracht des obigen ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, das obige Problem zu lösen und ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, in welchem eine geeignete Zuführung mit der Ziel-Strömungsrate realisiert werden kann.
Lösung des Problems

(1) Gemäß der vorliegenden Erfindung, welche das obige Ziel erreicht, ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem. zeichnet sich dadurch aus, dass es umfasst: eine Brennstoffzelle, welcher Brenngas und Oxidationsgas zugeführt werden und welche elektrische Energie erzeugt; einen Oxidationsmittel-Zufuhrweg zu der Brennstoffzelle; eine Oxidationsmittel-Pumpe von einem Turbo-Typ, in welcher eine Welle durch ein Luftlager gelagert ist, und welche das Oxidationsgas durch eine Drehbewegung aufnimmt und abgibt; ein Ist-Strömungsrate-Erfassungsmittel für das Oxidationsgas; ein Druck-Steuer-/Regelmittel für das Oxidationsgas; ein Drehzahl-Bestätigungsmittel für die Oxidationsmittel-Pumpe; und ein Steuer-/Regelmittel, welches den Druck von dem Oxidationsgas durch das Druck-Steuer-/Regelmittel erhöht, wenn die Ist-Strömungsrate von dem Oxidationsgas größer als eine Ziel-Strömungsrate ist, während sich die Drehzahl von der Oxidationsmittel-Pumpe in einem untersten Bereich von der Drehzahl befindet, in welchem das Luftlager die Welle lagern kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn die Ist-Strömungsrate von dem Oxidationsgas größer als die Ziel-Strömungsrate ist, wird der Druck von dem Oxidationsgas erhöht und die Ist-Strömungsrate von der Luftpumpe wird gesteuert/geregelt.

(2) Ein zusätzliches Merkmal von dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass das Steuer-/Regelmittel die Ziel-Strömungsrate und einen Ziel-Druck auf der Basis von einem Wert eines von der Brennstoffzelle angeforderten Stroms einstellt und dann, wenn die Ist-Strömungsrate größer als die Ziel-Strömungsrate ist, das Steuer-/Regelmittel eine Summe von einem ersten vorbestimmten Wert und dem Ziel-Druck als einen neuen Ziel-Druck setzt.

Gemäß der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung, wenn die Ist-Strömungsrate von dem Oxidationsgas größer ist als die Ziel-Strömungsrate, wird der Ziel-Druck erhöht (der Oxidationsmittel-Druck wird erhöht) und daher wird die Ist-Strömungsrate von der Luftpumpe gesteuert/geregelt.

(3) Ein zusätzliches Merkmal von dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass das Brennstoffzellensystem ferner umfasst: einen Befeuchter, welcher zwischen der Oxidationsmittel-Pumpe und der Brennstoffzelle angeordnet ist; einen Befeuchter-Bypass, welcher den Befeuchter umgeht; und ein Oxidationsmittel-Strömung-Regulierungsmittel, welches Proportionen von dem Oxidationsgas zwischen dem Befeuchter und dem Befeuchter-Bypass steuert/regelt. In dem Brennstoffzellensystem setzt das Steuer-/Regelmittel den Ziel-Druck gemäß den durch das Oxidationsmittel-Strömung-Regulierungsmittel gesteuerten/geregelten Proportionen.

Gemäß der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung, selbst in dem Fall, in welchem die Strömungsrate von dem der Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsgas unverändert ist, unterscheidet sich der Druckverlust in der Oxidationsmittel-Strömung in dem Abschnitt zwischen der Oxidationsmittel-Pumpe und der Brennstoffzelle gemäß der gesteuerten/geregelten Proportion von der Strömung zu dem Befeuchter-Bypass. Selbst in diesem Fall wird der Ziel-Druck gemäß der gesteuerten/geregelten Proportion eingestellt.

(4) Ein zusätzliches Merkmal von dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass ein Wert von einem Druckverlust in einer Oxidationsmittel-Strömung erhalten wird auf der Basis von einer Beziehung zwischen den durch das Oxidationsmittel-Strömung-Regulierungsmittel gesteuerten/geregelten Proportionen, der Ziel-Strömungsrate und dem Druckverlust in der Oxidationsmittel-Strömung, und in dem Fall, in welchem eine Summe von dem Ziel-Druck und dem Wert von dem Druckverlust in der Oxidationsmittel-Strömung kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, wird eine Summe von einem zweiten vorbestimmten Wert und dem Ziel-Druck als ein neuer Ziel-Druck eingestellt.

Gemäß der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung werden beispielsweise die Steuer-/Regeloperationen im Schritt S22 bis S29 in der später erläuterten zweiten Ausführungsform durchgeführt, so dass die Strömungsrate durch die Oxidationsmittel-Pumpe geeigneter gesteuert/geregelt werden kann.

(5) Ein zusätzliches Merkmal von dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass das Oxidationsmittel-Strömung-Regulierungsmittel ein Strömungsrate-Regulierungsventil ist, welches in dem Befeuchter-Bypass angeordnet ist, und in dem Fall, in welchem eine Öffnung von dem Strömungsrate-Regulierungsventil größer als eine vorbestimmte Öffnung eingestellt ist, das Steuer-/Regelmittel eine Summe von einem vorbestimmten Wert und dem Ziel-Druck im Voraus als einen neuen Ziel-Druck einstellt.

Da die Öffnung von dem Strömungsrate-Regulierungsventil vergrößert wird, wird der Druckverlust in dem Abschnitt zwischen der Oxidationsmittel-Pumpe und der Brennstoffzelle reduziert und die Strömungsrate von dem Oxidationsgas neigt dazu, zuzunehmen. Daher wird gemäß der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung eine Zunahme der Strömungsrate von dem Oxidationsgas durch eine Erhöhung des Ziel-Drucks unterdrückt, indem der vorbestimmte Wert zu dem Ziel-Druck addiert wird.

(6) Zusätzlich ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein weiteres Brennstoffzellensystem vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass es umfasst: eine Brennstoffzelle, welcher Brenngas und Oxidationsgas zugeführt werden und welche elektrische Energie erzeugt; einen Oxidationsmittel-Zufuhrweg, durch welchen das Oxidationsgas strömt, welches der Brennstoffzelle zuzuführen ist; einen Oxidationsmittel-Abgasweg, durch welchen von der Brennstoffzelle abgeführtes Brennstoff-Abgas strömt; eine Oxidationsmittel-Pumpe von einem Drehtyp, welche das Oxidationsgas durch eine Drehbewegung aufnimmt und abgibt; ein Ist-Strömungsrate-Erfassungsmittel, welches eine Ist-Strömungsrate von dem Oxidationsgas erfasst; ein Drehzahl-Bestätigungsmittel, welches eine Drehzahl von der Oxidationsmittel-Pumpe bestätigt; ein Gegendruckventil, welches in dem Oxidationsmittelabgasweg angeordnet ist und einen Druck von dem zu einer Kathode von der Brennstoffzelle geleiteten Oxidationsgas steuert/regelt; und ein Steuer-/Regelmittel, welches das Gegendruckventil steuert/regelt, um eine Öffnung von dem Gegendruckventil in Schritten zu verkleinern, welche kleiner sind als Schritte, in welchen die Öffnung von dem Gegendruckventil gesteuert/geregelt wird, um größer zu werden, in dem Fall, in welchem die Ist-Strömungsrate größer als die Ziel-Strömungsrate ist, selbst wenn die Drehzahl von der Oxidationsmittel-Pumpe zu einem untersten Bereich der Drehzahl abgesenkt ist, nachdem das Gegendruckventil gesteuert/geregelt ist, um die Öffnung zu vergrößern.

Gemäß der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung, in dem Fall, in welchem die Ist-Strömungsrate größer ist als die Ziel-Strömungsrate, selbst wenn die Drehzahl von der Oxidationsmittel-Pumpe zu dem untersten Bereich der Drehzahl abgesenkt ist, nachdem das Gegendruckventil gesteuert/geregelt ist, um die Öffnung zu vergrößern, wird das Gegendruckventil gesteuert/geregelt, um die Öffnung in Schritten zu verkleinern, welche kleiner sind als die Schritte, in welchen die Öffnung von dem Gegendruckventil gesteuert/geregelt wird, um zuzunehmen, so dass der Druck von dem Oxidationsgas ansteigt und die Ist-Strömungsrate kann zu der Ziel-Strömungsrate verringert werden.

(7) Ein zusätzliches Merkmal von dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass das Brennstoffzellensystem ferner ein Druckerfassungsmittel umfasst, welches den Druck von dem zu der Kathode geleiteten Oxidationsgas erfasst, und das Steuer-/Regelmittel eine Steuerung/Regelung von der Öffnung von dem Gegendruckventil abschließt, wenn der Druck auf einen vorbestimmten Druck ansteigt.

Gemäß der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung bestimmt das Steuer-/Regelmittel die Beendigung von der Steuerung/Regelung der Öffnung von dem Gegendruckventil auf der Basis von dem erfassten Wert von dem Druck von dem Oxidationsgas. Daher kann das Timing von der Beendigung von der Steuerung/Regelung von der Öffnung von dem Gegendruckventil in geeigneter Weise gesteuert/geregelt werden.

(8) Ein zusätzliches Merkmal von dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass das Steuer-/Regelmittel die Öffnung von dem Gegendruckventil in dem Fall steuert/regelt, in welchem eine Leistungsabgabe von der Brennstoffzelle in einen vorbestimmten Zustand geringer Leistungsabgabe eingestellt ist.

Gemäß der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung kann das Steuer-/Regelmittel die Ist-Strömungsrate von dem Oxidationsgas auf die Ziel-Strömungsrate steuern/regeln, indem beispielsweise die Öffnung von dem Gegendruckventil gesteuert/geregelt wird, selbst in dem Fall, in welchem das Fahrzeug (Auto), in welches das Brennstoffzellensystem eingebaut ist, verzögert und in einen Leerlaufzustand (einen vorbestimmten Zustand geringer Leistungsabgabe) übergeht.

(9) Ein zusätzliches Merkmal von dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass das Steuer-/Regelmittel die Öffnung von dem Gegendruckventil steuert/regelt, wenn eine Leistungsabgabe von der Brennstoffzelle in einem vorbestimmten Zustand geringer Leistungsabgabe gehalten wird.

Gemäß der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung kann die Ist-Strömungsrate zu der Ziel-Strömungsrate abgesenkt werden, indem beispielsweise die Öffnung von dem Gegendruckventil gesteuert/geregelt wird, selbst in dem Fall, in welchem eine Absenkung von der Ist-Strömungsrate von dem Oxidationsgas zu der Ziel-Strömungsrate während eines Leerlaufzustands (ein vorbestimmter Zustand geringer Leistungsabgabe) von einem Fahrzeug (Auto), in welches das Brennstoffzellensystem eingebaut ist, unmöglich wird.
Effekt der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht das Brennstoffzellensystem eine geeignete Zufuhr bei einer Ziel-Strömungsrate.
Kurze Beschreibung von Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, welches eine Konfiguration veranschaulicht, welche Brennstoffzellensystemen gemäß Ausführungsformen (erste und zweite Ausführungsformen) der vorliegenden Erfindung gemein ist.
2 ist ein Flussdiagramm von Steuer-/Regeloperationen gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Flussdiagramm von Steuer-/Regeloperationen gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Diagramm, welches eine Charakteristik von einer Luftpumpe zeigt, wo die Abszisse einer Einlassvolumen-Strömungsrate entspricht und die Ordinate einer Druckrate entspricht.
5 ist ein Flussdiagramm von Steuer-/Regeloperationen gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein Zeitdiagramm von den Steuer-/Regeloperationen gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung von Ausführungsformen
<<Erste Ausführungsform>>
Ein Aspekt (Ausführungsform) der vorliegenden Erfindung wird nachstehend detailliert unter Bezugnahme auf beigefügte Zeichnungen erläutert.
1 ist ein Diagramm, welches schematisch den Gesamtaufbau von einem Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Es wird angenommen, dass das Brennstoffzellensystem als eine Energieversorgung an einem durch Elektromotoren angetriebenen Brennstoffzellenfahrzeug anzubringen ist.
Wie in 1 veranschaulicht, umfasst das Brennstoffzellensystem 1 eine Brennstoffzelle 10, ein Luftzufuhrsystem 20, ein Wasserstoffzufuhrsystem 30, eine Steuer-/Regeleinrichtung 40 und andere Komponenten. Das Luftzufuhrsystem 20 führt der Brennstoffzelle 10 Luft als das Oxidationsgas zu und gibt die Luft von der Brennstoffzelle 10 ab. Das Wasserstoffzufuhrsystem 30 führt der Brennstoffzelle 10 Wasserstoff als Brenngas zu und gibt Wasserstoff von der Brennstoffzelle 10 ab. Die Steuer-/Regeleinrichtung 40 steuert/regelt das Brennstoffzellensystem 1.
Die Brennstoffzelle 10 ist ein bekannter elektrische-Energie-Generator, welcher eine Anode (Wasserstoff-Elektrode) 11 und eine Kathode (Luft-Elektrode) 12 umfasst und elektrochemisch elektrische Energie unter Verwendung von Wasserstoff und Luft erzeugt, welche jeweils der Anode 11 und der Kathode 12 zugeführt werden.
Das Luftzufuhrsystem 20 umfasst als Hauptbestandteile eine Luftpumpe 21, einen Befeuchter 22, ein Befeuchter-Bypassventil 23, und ein Gegendruckventil 24. Das Luftzufuhrsystem 20 umfasst eine Luftzuleitung 20a, eine Bypassleitung 20b und eine Luftauslassleitung 20c. Die Luftzuleitung 20a führt der Brennstoffzelle 10 Luft durch eine Verbindung der Luftpumpe 21 und einer Einlassseite von der Kathode 12 durch den Befeuchter 22 zu. Die Bypassleitung 20b umgeht den Befeuchter 22. Die Luftauslassleitung 20c gibt Abluft durch den Befeuchter 20 ab, wo die Abluft von der Auslassseite von der Kathode 12 in der Brennstoffzelle 10 abgegeben wird. Das Befeuchter-Bypassventil 23 ist in der Bypassleitung 20b vorgesehen. Da die obigen Bestandteile allgemein verwendete Typen sind, werden Erläuterungen der obigen Bestandteile hier nicht präsentiert.
Die Luftpumpe 21 ist ein Turbo-Typ, welcher durch ein Luftlager gelagert ist, wie in dem „technischen Hintergrund” erläutert, und hat Funktionen, durch eine Drehbewegung Luft aufzunehmen und Luft abzugeben. Die Luftpumpe 21 hat ein charakteristisches Merkmal, dass die Luftpumpe 21 eine gewünschte Luftströmungsrate nicht erreichen kann, wenn ein Befehlswert von der Drehzahl nahe der untersten Drehzahl (in dem untersten Bereich von der Drehzahl) ist, welche notwendig ist für das Schweben bzw. die Flotation der Welle in dem Luftlager. (Siehe 4.)
Es wird angenommen, dass die Steuer-/Regeleinrichtung 40 die Drehzahl von der Luftpumpe 21 durch den Befehlswert von der Drehzahl bestätigt, welcher von der Steuer-/Regeleinrichtung 40 erzeugt wird. Alternativ kann das Brennstoffzellensystem 1 mit einem Drehzahlsensor unter Verwendung einer Hall-Einrichtung versehen sein und die Steuer-/Regeleinrichtung 40 kann die Drehzahl von der Luftpumpe 21 durch den Drehzahlsensor bestätigen. Ferner ist eine Technik zur Steuerung/Regelung einer Drehung bzw. Rotation in einer sensorlosen Art und Weise allgemein bekannt. Ferner, obwohl das Befeuchter-Bypassventil 23 als das „Oxidationsmittel-Strömung-Regulierungsmittel” verwendet wird, kann alternativ ein anderes Ventil anstelle von oder in Kombination mit dem Befeuchter-Bypassventil 23 unmittelbar vor dem Einlass von dem Befeuchter 22 oder unmittelbar an der Rückseite von dem Auslass von dem Befeuchter 22 angeordnet sein. In diesem Fall kann angenommen werden, dass das obige Ventil, anstelle von oder in Kombination mit dem Befeuchter-Bypassventil 23 das „Oxidationsmittel-Strömung-Regulierungsmittel” realisiert.
Das Wasserstoffzufuhrsystem 30 umfasst eine Wasserstoffzufuhrvorrichtung 31 als einen Hauptbestandteil. Das Wasserstoffzufuhrsystem 30 umfasst eine Wasserstoff-Zuleitung 30a, eine Wasserstoff-Abgasleitung 30b und eine Wasserstoff-Rückführleitung 30c. Die Wasserstoff-Zuleitung 30a führt Wasserstoff der Anode 11 in der Brennstoffzelle 10 zu, die Wasserstoff-Abgasleitung 30b gibt Wasserstoff-Abgas, welches von der Anode 11 in der Brennstoffzelle 10 abgegeben wird, ab, und die Wasserstoff-Rückführleitung 30c zweigt von der Wasserstoff-Abgasleitung 30b ab und kehrt zu der Wasserstoff-Zuleitung zurück. Obwohl angenommen wird, dass die Wasserstoff-Zufuhrvorrichtung 31 mit einem Wasserstoffvorratsbehälter (nicht gezeigt) versehen ist, welcher Wasserstoff mit einem sehr hohen Druck von beispielsweise 30 MPa oder 70 MPa bevorratet. Alternativ kann eine Reformierungsvorrichtung, welche Wasserstoff erzeugt, indem flüssiger Rohkraftstoff, wie zum Beispiel Methanol reformiert wird oder dergleichen, in der Wasserstoff-Zufuhrvorrichtung 31 vorgesehen sein.
Einige Typen von Bestandteilen von dem Wasserstoffzufuhrsystem 30, wie zum Beispiel Ejektoren und Spül- oder Ablassventile, welche allgemein verwendet werden, sind in 1 nicht gezeigt und Erläuterungen solcher Bestandteile werden nicht präsentiert.
Die Steuer-/Regeleinrichtung 40 umfasst eine CPU (zentrale Verarbeitungseinheit), einen RAM (Direktzugriffsspeicher), einen ROM (Festwertspeicher) verschiedene Schnittstellen und andere Komponenten. Die Steuer-/Regeleinrichtung 40 ist mit einem atmosphärischer-Druck-Sensor Pa, einem Einlaßlufttemperatursensor T, einem Strömungsratensensor Q und einem Drucksensor Pb durch die verschiedenen Schnittstellen verbunden, so dass die durch die obigen Sensoren erfassten Werte in die Steuer-/Regeleinrichtung 40 eingegeben werden. Die Steuer-/Regeleinrichtung 40 ist ferner mit einer anderen Steuer-/Regeleinrichtung (nicht gezeigt) verbunden, welche einen von der Brennstoffzelle 10 geforderten Stromwert bestimmt, so dass der Wert von dem geforderten Strom der Steuer-/Regeleinrichtung 40 eingegeben wird. (Nachfolgend wird der Wert von dem geforderten Strom als „der FC-Anforderungsstrom” bezeichnet). Der FC-Anforderungsstrom ist annähernd die Summe von einem Wert von dem Strom, welcher im Verhältnis zu dem Niederdrückbetrag von einem Drosselpedal erhalten wird, und einem Stromwert, welcher im Verhältnis zu dem Betätigungsbetrag einer Hilfs- oder Zusatzmaschine oder der gleichen erhalten wird.
Zusätzlich ist die Steuer-/Regeleinrichtung 40 verbunden mit der Luftpumpe 21 (und einer Treiberschaltung für die Luftpumpe 21), dem Befeuchter-Bypassventil 23 (und einer Treiberschaltung für das Befeuchter-Bypassventil 23), und dem Gegendruckventil 24 (und einer Treiberschaltung für das Gegendruckventil 24) durch die verschiedenen Schnittstellen. Die Steuer-/Regeleinrichtung 40 ist dazu konfiguriert, einen Befehlswert von der Drehzahl von der Luftpumpe 21 zu erzeugen, den Befehlswert von der Drehzahl zu der Luftpumpe 21 zu senden, Befehlswerte von den Öffnungen des Befeuchter-Bypassventils 23 und des Gegendruckventils 24 zu erzeugen, und die Befehlswerte von den Öffnungen zu dem Befeuchter-Bypassventil 23 und dem Gegendruckventil 24 zu senden. Wenn der Befehlswert von der Drehzahl ansteigt, steigt die Drehzahl von der Luftpumpe 21 an, so dass die Strömungsrate von zu der Kathode 12 in der Brennstoffzelle 10 geleiteter Luft zunimmt (das heißt, die durch den Strömungsratensensor Q erfasste Strömungsrate steigt an). Wenn die Öffnung von dem Befeuchter-Bypassventil 23 zunimmt, nimmt die Strömungsrate von durch den Befeuchter 22 strömender Luft ab (d. h., die Strömungsrate von zu der Kathode 12 geleiteter Luft, ohne den Befeuchter 22 zu passieren, nimmt zu). Wenn die Öffnung von dem Gegendruckventil 24 zunimmt, nimmt der Druck an der Kathode 12 ab (d. h. der von dem Drucksensor Pb erfasste Druck nimmt ab).
Obwohl die Steuer-/Regeleinrichtung 40 in der vorliegenden Ausführungsform aktiv die Strömungsrate von durch das Luftzufuhrssystem 20 zugeführten Luft steuert/regelt, indem die Drehzahl von der Luftpumpe 21 gesteuert/geregelt wird, steuert/regelt die Steuer-/Regeleinrichtung 40 die Strömungsrate von Wasserstoff in dem Wasserstoffzufuhrsystem 30 nicht speziell. Die Steuer-/Regeleinrichtung 40 ist derart konfiguriert, dass die Strömungsrate von Wasserstoff von der Wasserstoffzufuhrvorrichtung 31 durch einen Regulator (nicht gezeigt) automatisch (passiv) ansteigt, wenn die an der Anode 11 verbrauchte Wasserstoffmenge zunimmt.
Der Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 gemäß der ersten Ausführungsform, welche die obige Konfiguration hat, wird nachstehend unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 2 erläutert. Zusätzlich werden die Operationen der Steuerung/Regelung des Befeuchter-Bypassventils 23 unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 3 erläutert.
Zuerst wird der Strom, welchen die Brennstoffzelle 10 aufgefordert wird, zu erzeugen (d. h., der FC-Anforderungsstrom) durch die andere Steuer-/Regeleinrichtung auf der Basis von dem Niederdrückbetrag des Gaspedals und der Last von einer Klimaanlage (der Betrag eines Betriebs von einer Hilfsmaschine und dergleichen) unter Berücksichtigung einer Ladung und Entladung von einer Hochspannungsbatterie (nicht gezeigt) eingestellt und der FC-Anforderungsstrom wird zu der Steuer-/Regeleinrichtung 40 gesendet. Die Steuer-/Regeleinrichtung 40 berechnet (in einem Schritt S10) eine Ziel-Strömungsrate von der Brennstoffzelle 10 zuzuführenden Luft auf der Basis von dem FC-Anforderungsstrom unter Bezugnahme auf eine Tabelle, eine Karte oder dergleichen, welche im Voraus gespeichert ist. In ähnlicher Weise berechnet die Steuer-/Regeleinrichtung 40 (in einem Schritt S20) einen Ziel-Luftdruck auf der Basis von dem FC-Anforderungsstrom unter Bezugnahme auf eine Tabelle, eine Karte, oder dergleichen. Der Ziel-Luftdruck dient als der Druck an dem Einlass zu der Kathode 12 (an der Position von dem Drucksensor Pb).
Das Gegendruckventil 24 wird (in einem Schritt S30) rückkopplungs-(F/B)gesteuert/geregelt, um die Öffnung derart einzustellen, dass der Wert von dem Luftdruck, welcher von dem Drucksensor Pb erfasst wird, mit dem Ziel-Luftdruck, welcher in dem Schritt S20 berechnet wird, abgeglichen wird. Zusätzlich wird die Drehzahl von der Luftpumpe 21 (in einem Schritt S40) rückkopplungsgesteuert/geregelt, so dass der Wert von der Luftströmungsrate, welche von dem Strömungsratensensor Q erfasst wird, an die Ziel-Luftströmungsrate angepasst wird, welche im Schritt S10 berechnet wird. D. h., die Steuer-/Regeleinrichtung 40 steuert/regelt unter Rückkopplung die Luftpumpe 21 und das Gegendruckventil 24, indem der Befehlswert von der Drehzahl und die Befehlswerte von den Öffnungen eingestellt (erzeugt) werden. Zu diesem Zeitpunkt wird angenommen, dass die Luftströmungsrate zu korrigieren ist mit der Lufttemperatur, welche von dem Einlaßlufttemperatursensor T erfasst wird, und dem Luftdruck (atmosphärischer Druck), welcher von dem atmosphärischer-Druck-Sensor Pa erfasst wird.
Im Übrigen wird die Welle von der Luftpumpe 21 in der vorliegenden Ausführungsform durch das Luftlager gelagert, wie vorangehend erläutert, und die Drehzahl von der Luftpumpe 21 wird so gesteuert/geregelt, dass sie höher ist als die niedrigste (Untergrenze) Drehzahl, welche für ein Schweben bzw. eine Flotation der Welle in dem Luftlager benötigt wird. Beispielsweise in dem Fall, in welchem der Niederdrückbetrag des Gaspedals oder der Betriebsbetrag von einer Zusatzmaschine klein ist, oder in dem Fall, in welchem hauptsächlich Entladevorgänge von der Hochspannungsbatterie durchgeführt werden, ist eine Energieerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 nicht notwendig, so dass die Drehzahl von der Luftpumpe 21 nahe der Untergrenze kommen kann. Jedoch ist die Luftpumpe 21 derart konfiguriert, dass die Drehzahl selbst in den obigen Fällen etwas höher ist als die Untergrenze. Dennoch können in einigen Fällen Schwankungen des Einlassluftdrucks und der Einlasslufttemperatur (d. h. die Wetterbedingungen oder Umgebung) bewirken, dass die Drehzahl von der Luftpumpe 21 an der Untergrenze festzulegen ist. Herkömmlicherweise kann die Luftströmungsrate nicht angemessen an der Untergrenze von der Drehzahl gesteuert/geregelt werden, wie oben. Beispielsweise kann die Luftströmungsrate unabsichtlich an der Untergrenze von der Drehzahl ansteigen, wie oben. (D. h., die Ist-Strömungsrate erreicht die Ziel-Strömungsrate nicht).
Daher wird gemäß der ersten Ausführungsform bestimmt (in einem Schritt S50), ob die Drehzahl von der Luftpumpe 21 gleich der niedrigsten Drehzahl (der Untergrenze) ist oder nicht. Wenn die Drehzahl von der Luftpumpe 21 nicht gleich der Untergrenze ist, kehrt die Operation zu dem Schritt S10 zurück (Zurück) und die Operationen beginnend von dem Schritt S10 werden wiederholt. Die Untergrenze wird durch Experiment oder Simulation passend eingestellt.
Wenn die Drehzahl von der Luftpumpe 21 gleich der Untergrenze ist, d. h. wenn in dem Schritt S50 JA bestimmt wird, wird es bestimmt (in einem Schritt S60), ob die Luftströmungsrate (der gemessene Wert) größer als die Ziel-Luftströmungsrate ist oder nicht. Dies liegt daran, dass gemäß der Charakteristik der Luftpumpe 21, deren Welle durch ein Luftlager gelagert ist, die Luftströmungsrate in manchen Fällen, in welchen die Drehzahl von der Luftpumpe gleich der Untergrenze ist, stark ansteigt (um größer als die Ziel-Strömungsrate zu werden). Wie zuvor erwähnt, bestätigt die Steuer-/Regeleinrichtung 40 die Drehzahl von der Luftpumpe 21 auf der Basis des Befehlswerts von der Drehzahl, welcher von der Steuer-/Regeleinrichtung 40 erzeugt wird.
Wenn die Luftströmungsrate nicht größer als die Ziel-Luftströmungsrate ist, d. h., wenn in dem Schritt S60 NEIN bestimmt wird, kann diese Situation als normal angesehen werden. Daher kehrt die Operation zu dem Schritt S10 zurück (Zurück) und die Operationen werden beginnend von dem Schritt S10 wiederholt. Andererseits, wenn die Luftströmungsrate größer als die Ziel-Luftströmungsrate ist, d. h., wenn in dem Schritt S60 JA bestimmt wird, setzt die Steuer-/Regeleinrichtung 40 (in einem Schritt S70) einen neuen Ziel-Luftdruck, indem ein erster vorbestimmter Wert (welcher gleich oder größer als Null ist) zu dem Ziel-Luftdruck addiert wird, welcher in dem Schritt S20 gesetzt wird. Dann steuert/regelt die Steuer-/Regeleinrichtung 40 das Gegendruckventil 24, um die Öffnung zu verkleinern, um den Luftdruck an den Ziel-Luftdruck anzugleichen (in einem Schritt S80). D. h., die Steuer-/Regeleinrichtung 40 steuert/regelt die Luftströmungsrate, um eine übermäßige Luftströmung zu unterdrücken. Diese Steuerung/Regelung kann eine oder beide von einer Vorwärtssteuerung/-regelung und einer Rückkopplungssteuerung/-regelung sein. Die Vorwärtssteuerung/-regelung hat ein charakteristisches Merkmal, dass die Reaktion schnell ist. Der erste vorbestimmte Wert wird durch Experiment oder Simulation eingestellt und kann entweder ein festgelegter Wert oder ein variabler Wert sein, welcher sich beispielsweise mit der Abweichung von der Luftströmungsrate von der Ziel-Strömungsrate verändert.
Nach der Operation im Schritt S80 geht die Operation zu dem Schritt S60, um die Operationen von 2 fortzusetzen.
Gemäß der ersten Ausführungsform, wenn die Drehzahl von der Luftpumpe 21 die Untergrenze erreicht und die Luftströmungsrate größer als die Ziel-Luftströmungsrate wird, d. h., wenn in beiden Schritten S50 und S60 JA bestimmt wird, wird die Luftströmungsrate zu hoch und gerät außer Kontrolle. Daher setzt die Steuer-/Regeleinrichtung 40 einen großen Wert als die Ziel-Luftströmungsrate (in dem Schritt S70) und steuert/regelt das Gegendruckventil 24, um die Öffnung in der Ventilschließrichtung zu steuern/regeln (im Schritt S80). Daher kann eine geeignete Luftströmungsrate sichergestellt werden.
Somit ermöglicht in einem System unter Verwendung einer Luftpumpe vom Turbo-Typ, deren Welle durch ein Luftlager gelagert ist, wie die Luftpumpe 21 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, eine Steuerung/Regelung des Befehlswerts von dem Druck (d. h. die Öffnung von dem Gegendruckventil 24) eine Zufuhr mit einer gewünschten Luftströmungsrate selbst dann, wenn der Befehlswert von der Drehzahl von der Luftpumpe 21 nahe der untersten Drehzahl ist (d. h. in dem untersten Bereich von der Drehzahl), welche für ein Schweben bzw. eine Flotation der Welle in dem Luftlager benötigt wird. Daher ist es möglich, eine übermäßige Luftzufuhr zu (der Kathode 12 in) der Brennstoffzelle 10 zu verhindern und effizient elektrische Energie zu erzeugen, während ein Übertrocknen der Elektrolythmembran verhindert wird. Somit kann die Zuverlässigkeit von dem System deutlich verbessert werden. Wenn die Luftzufuhr zunimmt, wird die Luft wahrscheinlich getrocknet und die getrocknete Luft bewirkt, dass die Elektrolythmembran in der Brennstoffzelle 10 getrocknet wird. Folglich wird die I–V(Strom-Spannung)-Charakteristik von der Brennstoffzelle 10 verschlechtert und daher wird die Energieerzeugungseffizienz von der Brennstoffzelle 1 verringert. Jedoch kann in dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Auftreten von dem obigen Phänomen unterdrückt werden und die Reduzierung der Systemeffizienz kann auch unterdrückt werden durch die Verhinderung einer sinnlosen Luftzufuhr.
Ferner ist in dem niedrigen Drehzahlbereich der Luftpumpe 21 die von der Brennstoffzelle 10 erzeugte Menge an elektrischer Energie klein und daher ist die Menge an durch die elektrochemische Reaktion erzeugtem Wasser klein. Folglich kann die Brennstoffzelle 10 als in einer Situation befindlich angesehen werden, in welcher die Elektrolythmembran wahrscheinlich getrocknet wird. Wenn eine übermäßige Menge an Luft der Brennstoffzelle 10 in der obigen Situation zugeführt wird, wird die Elektrolythmembran wahrscheinlich übertrocknet werden (und daher werden wahrscheinlich eine Absenkung der Energieerzeugungseffizienz und eine Verschlechterung der Elektrolythmembran auftreten). Jedoch kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Auftreten des obigen Phänomens unterdrückt werden.
<<Zweite Ausführungsfor>>
Als nächstes wird nachstehend die zweite Ausführungsform unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 3 erläutert. In den Erläuterungen wird auch auf 1 verwiesen, wenn dies notwendig ist. In der zweiten Ausführungsform wird eine Steuerung/Regelung der Öffnung von dem Befeuchter-Bypassventil 23 der Konfiguration von dem Brennstoffzellensystem, welches in 1 veranschaulicht ist, hinzugefügt. Daher sind in dem Steuer/Regel-Flussdiagramm von 3 die gleichen Schrittnummern wie in 2 den mit der ersten Ausführungsform gemeinsam benutzten Abschnitten zugeordnet und Erklärungen der Abschnitte werden in dieser Beschreibung nicht präsentiert.
Wie in 3 veranschaulicht, in ähnlicher Weise zu der ersten Ausführungsform, führt die Steuer-/Regeleinrichtung 40 den Schritt S10 (Berechnung der Ziel-Luftströmungsrate) und den Schritt S20 (Berechnung von dem Ziel-Luftdruck) durch. Anschließend berechnet die Steuer-/Regeleinrichtung 40 die Öffnung (die Befeuchter-Bypassventil-Öffnung) von dem Befeuchter-Bypassventil 23 auf der Basis von dem FC-Anforderungsstrom (in einem Schritt S22). Danach berechnet gemäß der zweiten Ausführungsform die Steuer-/Regeleinrichtung 40 den Druckverlust in dem Befeuchter 22 (den Befeuchter-Druckverlust) auf der Basis von der Ziel-Luftströmungsrate und der Öffnung von dem Befeuchter-Bypassventil 23 (in einem Schritt S24).
Eine Karte, welche eine Beziehung zwischen der Ziel-Luftströmungsrate, dem Befeuchter-Druckverlust und der Befeuchter-Bypassventil-Öffnung angibt, ist konzeptionell in 3 gezeigt. Wie in der Karte angezeigt, nimmt der Befeuchter-Druckverlust mit der Ziel-Luftströmungsrate zu und nimmt mit einer Vergrößerung der Befeuchter-Bypassventil-Öffnung ab, selbst wenn die Ziel-Luftströmungsrate unverändert ist. Die obige Karte zeigt „die Beziehung zwischen den Proportionen, welche durch das Oxidationsmittel-Strömung-Reguliermittel gesteuert/geregelt werden, der Ziel-Strömungsrate und dem Druckverlust in der Oxidationsmittel-Strömung”. Die Karte, welche die Beziehung zeigt, ist nur ein Beispiel und die Beziehung kann durch eine Funktion, eine Tabelle oder auf andere Weise angegeben werden.
Die Steuer-/Regeleinrichtung 40 bestimmt (in einem Schritt S26), ob die Summe von dem Ziel-Luftdruck und dem Befeuchter-Druckverlust kleiner als ein vorbestimmter Wert ist oder nicht, d. h., (der Ziel-Luftdruck) + (der Befeuchter-Druckverlust < (der vorbestimmte Wert). Der vorbestimmte Wert wird durch Experiment oder Simulation gesetzt.
Wenn (der Ziel-Luftdruck) + (der Befeuchter-Druckverlust) < (der vorbestimmte Wert), d. h., wenn in dem Schritt S26 JA bestimmt wird, fügt die Steuer-/Regeleinrichtung 40 dem Ziel-Luftdruck einen zweiten vorbestimmten Wert hinzu, um einen neuen Ziel-Luftdruck zu berechnen. Dann geht die Operation zum Schritt S30. Wenn in dem Schritt S26 NEIN bestimmt wird, geht die Operation auch zu dem Schritt S30. Der zweite vorbestimmte Wert ist ein Wert, welcher größer ist als Null, d. h., (der zweite vorbestimmte Wert) > 0. Der zweite vorbestimmte Wert wird durch Experiment oder Simulation gesetzt. Da die Operationen, welche in dem Schritt S30 und den nachfolgenden Schritten durchgeführt werden, die selben wie in der ersten Ausführungsform sind, werden die Erläuterungen der Schritte nicht wiederholt.
In dem Brennstoffzellensystem 1, in welchem eine Einrichtung, welche den Luftdruckverlust verändert (das Befeuchter-Bypassventil 23 in diesem Beispiel) zwischen der Luftpumpe 21 und der Brennstoffzelle 10 angeordnet ist, wird das oben erwähnte Phänomen, d. h. die Erhöhung der Luftströmungsrate in dem unteren Grenzdrehzahlbereich von der Luftpumpe 21 bedeutend. Insbesondere, wenn die Öffnung von dem Befeuchter-Bypassventil 23 verändert wird, verändert sich der Druckverlust in dem Abschnitt von der Luftpumpe 21 zu der Brennstoffzelle 10. Normalerweise wird die Luftzufuhr derart gesteuert/geregelt, dass der Druck an dem Einlass zu (der Kathode 12 von) der Brennstoffzelle 10 (welcher durch den Drucksensor Pb erfasst wird) auf einem vorbestimmten Niveau ist. Wenn sich jedoch die Öffnung von dem Befeuchter-Bypassventil 23 verändert, verändert sich der Druck an dem Auslass von der Luftpumpe 21 (das heißt das Luftpumpenkompressionsverhältnis), so dass das Ausmaß von den Ordinaten von dem „Verteilungs”-Bereich (in 4 veranschaulicht) stark variiert. Somit wird das oben erwähnte Phänomen bedeutend.
Andererseits, gemäß der zweiten Ausführungsform, wird der Befeuchter-Druckverlust berechnet (in dem Schritt S24), Steuer-/Regeloperationen unter Berücksichtigung des Druckverlusts werden durchgeführt (in den Schritten S26 und S28), ein neuer Ziel-Luftdruck wird unter Berücksichtigung des Befeuchter-Druckverlusts gesetzt, und die Operation der Steuerung/Regelung des Gegendruckventils 24 wird in dem Schritt S30 auf der Basis von dem neuen Ziel-Luftdruck durchgeführt. Daher wird eine (unbeabsichtigte) Erhöhung der Luftströmungsrate unterdrückt, so dass eine geeignete Luftströmungsrate sichergestellt wird.
Somit ermöglicht gemäß der zweiten Ausführungsform die geeignete Luftströmungsrate einen geeigneten Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 ähnlich der ersten Ausführungsform. Ferner, da die Einrichtung, welche den Luftdruckverlust in dem Abschnitt zwischen der Luftpumpe 21 und der Kathode 12 verändert, zusätzlich vorgesehen ist, gemäß der zweiten Ausführungsform, ist es möglich, das Brennstoffzellensystem 1 geeigneter als in der ersten Ausführungsform zu betreiben.
<<Sonstiges>>
In der oben erläuterten zweiten Ausführungsform wird im Schritt S24 auf die Karte in 3 verwiesen. Beispielsweise in dem Fall, in welchem die Einrichtung, welche die Proportionen von Strömungen steuert/regelt (das Oxidationsmittelströmung-Regulierungsmittel), ein Strömungsrate-Regulierungsventil ist, welches in der Bypassleitung 20b angeordnet ist (das Befeuchter-Bypassventil 23), und die Öffnung von dem Strömungsrate-Regulierungsventil (das Befeuchter-Bypassventil 23) größer als eine vorbestimmte Öffnung ist, und erwartet wird, dass das Kompressionsverhältnis von der Luftpumpe 21 niedrig wird, kann die Steuer-/Regeleinrichtung 40 bewirken, dass die Luftpumpe 21 die Ziel-Luftströmungsrate erreicht, indem der Ziel-Druck im Voraus erhöht wird, d. h., indem im Voraus eine Summe von einem vorbestimmten Wert (der dritte vorbestimmte Wert) und dem Ziel-Druck als ein neuer Ziel-Druck gesetzt wird. Jeder von den obigen vorbestimmten Werten wird passend eingestellt, um die Ist-Strömungsrate auf die Ziel-Strömungsrate einzustellen und die Zielsetzung zu erreichen, Luft mit einer geeigneten Luftströmungsrate zuzuführen (d. h. um eine übermäßige Strömungsrate zu unterdrücken).
<<Dritte Ausführungsform>>
Als nächstes wird die dritte Ausführungsform nachstehend unter Bezugnahme auf die Flussdiagramme der 5 und 6 erläutert. In den Erläuterungen wird auch auf 1 Bezug genommen, wenn notwendig. In der dritten Ausführungsform wird die Öffnung von dem Gegendruckventil 24 derart gesteuert/geregelt, dass sie vergrößert wird, wenn ein Brennstoffzellenfahrzeug (welches ein Vierradfahrzeug, ein Zweiradfahrzeug oder ein Fahrzeug von einem anderen Typ ist), an welchem ein Brennstoffzellensystem, welches beispielsweise die Konfiguration der 1 hat, angebracht ist, verzögert und von einem Fahrzustand in einen Leerlaufzustand übergeht, in welchem eine minimale Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 10 beibehalten wird (d. h. die elektrische Energie, welche von der Brennstoffzelle 10 erzeugt wird, wird auf einen vorbestimmten Zustand niedriger Leistungsabgabe eingestellt). D. h., die Öffnung von dem Gegendruckventil 24 wird so verändert, dass sie größer wird, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug verzögert und von einem Fahrzustand in einen Leerlaufzustand übergeht, als dann, wenn die Öffnung von dem Gegendruckventil 24 gesteuert/geregelt wird, um während eines normalen Betriebs vergrößert zu werden. In der dritten Ausführungsform werden die selben Schrittnummern wie in 2 den Abschnitten zugeordnet, welche mit der ersten Ausführungsform gemeinsam benutzt werden, und Erläuterungen zu den Abschnitten werden in dieser Beschreibung nicht präsentiert.
Wie in 5 veranschaulicht, wenn die Steuer-/Regeleinrichtung 40 bestimmt, dass die Luftströmungsrate (die Ist-Strömungsrate) größer ist als die Ziel-Luftströmungsrate, d. h., wenn in dem Schritt S60 JA bestimmt wird, verändert die Steuer-/Regeleinrichtung 40 die Öffnung von dem Gegendruckventil 24 um einen kleinen Betrag (in einem Schritt S90). D. h., die Steuer-/Regeleinrichtung 40 steuert/regelt die Öffnung von dem Gegendruckventil 24, um die Öffnung um einen kleineren Betrag zu verändern als den Betrag, um welchen die Öffnung von dem Gegendruckventil 24 gesteuert/geregelt wird, um vergrößert zu werden, wenn die Verzögerung den Übergang von dem Fahrzustand zu dem Leerlaufzustand bewirkt.
Dann bestimmt die Steuer-/Regeleinrichtung 40, ob der Luftdruck gleich oder größer als ein vorbestimmter Druck ist oder nicht (in einem Schritt S100), wo der vorbestimmte Druck ein Schwellenwert ist zur Bestimmung, ob die Öffnungseinstellung von dem Gegendruckventil 24 abzuschließen ist. Wenn die Steuer-/Regeleinrichtung 40 bestimmt, dass der Luftdruck nicht gleich oder größer als der vorbestimmte Druck ist, d. h. wenn in dem Schritt S100 NEIN bestimmt wird, geht die Operation zum Schritt S60 zurück. Wenn die Steuer-/Regeleinrichtung 40 bestimmt, dass der Luftdruck gleich oder größer als der vorbestimmte Druck ist, d. h. wenn in dem Schritt S100 JA bestimmt wird, schließt die Steuer-/Regeleinrichtung 40 die Öffnungseinstellung von dem Gegendruckventil 24 ab (in einem Schritt S110).
Weitere Erläuterungen werden nachstehend unter Bezugnahme auf 6 präsentiert. Um einen Übergang zu einem vorbestimmten Zustand niedriger Leistungsabgabe (zum Beispiel einen Leerlaufzustand) zu bewirken, wird die Öffnung von dem Gegendruckventil 24 derart gesteuert/geregelt, dass sie vergrößert wird, und die Drehzahl von der Luftpumpe 21 wird abgesenkt (in der Periode von der Zeit t0 bis t1). Insbesondere wird die Öffnung von dem Gegendruckventil 24 derart gesteuert/geregelt, dass sie vergrößert wird, durch die Operation im Schritt S30 in 5, und die Drehzahl von der Luftpumpe 21 wird derart gesteuert/geregelt, dass sie verringert wird, durch die Operation im Schritt S40 in 5, so dass der Luftdruck stark verringert wird.
Nachdem die Öffnung von dem Gegendruckventil 24 derart gesteuert/geregelt ist, dass sie vergrößert wird, zur Zeit t1, erreicht die Drehzahl von der Luftpumpe 21 die Untergrenze von der Drehzahl, so dass die Drehzahl von der Luftpumpe 21 nicht weiter verringert werden kann, d. h., im Schritt S50 wird JA bestimmt. In diesem Fall, wenn die Luftströmungsrate (die Ist-Strömungsrate, welche durch die durchgezogene Linie angegeben ist) noch nicht die Ziel-Luftströmungsrate (durch die gestrichelte Linie angegeben) erreicht, d. h. wenn in dem Schritt S60 JA bestimmt wird, wird eine Übermäßigkeit der Luftströmungsrate (die Ist-Strömungsrate) erfasst, so dass eine Erhöhung von dem Luftdruck notwendig ist. Daher, um die Luftströmungsrate (die Ist-Strömungsrate) durch eine Erhöhung des Luftdrucks zu verringern, wird die Öffnung von dem Gegendruckventil 24 in der Ventilschließrichtung in kleinen Schritten (im Schritt S90) verändert. Da die Öffnung von dem Gegendruckventil 24 in kleinen Schritten in der Ventilschließrichtung verändert wird, erhöht sich der Luftdruck. Somit bewirkt die Änderung von der Öffnung von dem Gegendruckventil 24 in kleinen Schritten, dass die Luftströmungsrate (die Ist-Strömungsrate) allmählich abnimmt.
Daher, wenn die Öffnungseinstellung von dem Gegendruckventil 24 bewirkt, dass der Luftdruck den vorbestimmten Druck erreicht, d. h., wenn in dem Schritt S100 JA bestimmt wird, wird die Öffnungseinstellung von dem Gegendruckventil 24 beendet (im Schritt S100). Zu diesem Zeitpunkt ist die Luftströmungsrate (die Ist-Strömungsrate) an die Ziel-Luftströmungsrate angeglichen.
Somit wird gemäß der dritten Ausführungsform in dem Fall, in welchem die Luftströmungsrate (die Ist-Strömungsrate) immer noch größer als die Ziel-Luftströmungsrate ist, selbst wenn die Drehzahl von der Luftpumpe 21 zu der Untergrenze von der Drehzahl (dem unteren Bereich der Drehzahl) abnimmt, nachdem die Öffnung von dem Gegendruckventil 24 stark in der Ventilöffnungsrichtung verändert ist, während eines Übergangs von einem Fahrzustand zu einem Leerlaufzustand, die Öffnung von dem Gegendruckventil 24 in kleinen Schritten in der Ventilschließrichtung verändert, so dass der Luftdruck (der Druck von dem Oxidationsgas) erhöht werden kann und die Luftströmungsrate (die Ist-Strömungsrate) zu der Ziel-Strömungsrate gesenkt werden kann. Da die Öffnung von dem Gegendruckventil 24 wie oben eingestellt wird, wird eine (unbeabsichtigte) Erhöhung der Luftströmungsrate unterdrückt und eine geeignete Luftströmungsrate kann sichergestellt werden.
Zusätzlich kann gemäß der dritten Ausführungsform die Zeiteinstellung eines Abschlusses von der Öffnungseinstellung von dem Gegendruckventil 24 in geeigneter Weise gesteuert/geregelt werden durch eine Beendigung der Öffnungseinstellung von dem Gegendruckventil 24, wenn der Luftdruck zu dem vorbestimmten Druck ansteigt.
Ferner kann in dem Fall, in welchem die Leistungsabgabe von der Brennstoffzelle 10 auf einen vorbestimmten Zustand niedriger Leistungsabgabe (einen Leerlaufzustand) eingestellt ist, gemäß der dritten Ausführungsform, eine Erhöhung der Luftströmungsrate unterdrückt werden und eine geeignete Luftströmungsrate kann sichergestellt werden.
In den Erläuterungen der dritten Ausführungsform, wird der Fall, in welchem das Fahrzeug verzögert und zu dem Leerlaufzustand übergeht, als ein Beispiel von einem Fall verwendet, in welcher die Öffnungssteuerung/-regelung von dem Gegendruckventil 24 durchgeführt wird. Jedoch kann die dritte Ausführungsform nicht nur bei dem obigen Fall angewendet werden. Beispielsweise kann die dritte Ausführungsform auch auf den Fall angewendet werden, in welchem die Ist-Strömungsrate nicht zu der Ziel-Luftströmungsrate abgesenkt werden kann wegen einer Schwankung der Ist-Strömungsrate, welche durch vorübergehende Schwankungen der der Luftpumpe 21 zugeführten elektrischen Energie aufgrund von Veränderungen in der Gesamtlast auf das Fahrzeug verursacht wird, welche beispielsweise durch einen Start einer Verwendung von einer Heizung verursacht werden.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzelle
11: Anode
12: Kathode
20: Luftzufuhrsystem
20a: Luftzuleitung (Oxidationsmittel-Zufuhrweg)
20b: Bypassleitung (Befeuchter-Bypass)
20c: Abluftleitung (Oxidationsmittel-Abgasweg bzw. -Abführungsweg)
21: Luftpumpe (Oxidationsmittel-Pumpe)
22: Befeuchter
23: Befeuchter-Bypassventil (Oxidationsmittel-Strömung-Regulierungsmittel, Strömungsrate-Regulierungsventil)
24: Gegendruckventil (Druckregulierungsmittel)
30: Wasserstoffzufuhrsystem
31: Wasserstoffzufuhrvorrichtung
40: Steuer-/Regeleinrichtung (Steuer-/Regelmittel, Drehzahl-Bestätigungsmittel)
Pb: Drucksensor (Druckerfassungsmittel)
Q: Ist-Strömungsrate-Erfassungsmittel (Strömungsrate-Sensor)

Claims

Brennstoffzellensystem, umfassend: eine Brennstoffzelle, welcher Brenngas und Oxidationsgas zugeführt werden und welche elektrische Energie erzeugt; einen Oxidationsmittel-Zufuhrweg zu der Brennstoffzelle; eine Oxidationsmittel-Pumpe von einem Turbo-Typ, in welcher eine Welle durch ein Luftlager gelagert ist, und welche das Oxidationsgas durch eine Drehbewegung aufnimmt und abgibt; ein Ist-Strömungsrate-Erfassungsmittel für das Oxidationsgas; ein Druck-Steuer-/Regelmittel für das Oxidationsgas; ein Drehzahl-Bestätigungsmittel für die Oxidationsmittel-Pumpe; und ein Steuer-/Regelmittel, welches den Druck von dem Oxidationsgas durch das Druck-Steuer-/Regelmittel erhöht, wenn die Ist-Strömungsrate von dem Oxidationsgas größer als eine Ziel-Strömungsrate ist, während sich die Drehzahl von der Oxidationsmittel-Pumpe in einem untersten Bereich von der Drehzahl befindet, in welchem das Luftlager die Welle lagern kann.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Steuer-/Regelmittel die Ziel-Strömungsrate und einen Ziel-Druck auf der Basis von einem Wert eines von der Brennstoffzelle angeforderten Stroms einstellt und dann, wenn die Ist-Strömungsrate größer als die Ziel-Strömungsrate ist, das Steuer-/Regelmittel eine Summe von einem ersten vorbestimmten Wert und dem Ziel-Druck als einen neuen Ziel-Druck setzt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner umfassend, einen Befeuchter, welcher zwischen der Oxidationsmittel-Pumpe und der Brennstoffzelle angeordnet ist; einen Befeuchter-Bypass, welcher den Befeuchter umgeht; und ein Oxidationsmittel-Strömung-Regulierungsmittel, welches Proportionen von dem Oxidationsgas zwischen dem Befeuchter und dem Befeuchter-Bypass steuert/regelt, wobei das Steuer-/Regelmittel den Ziel-Druck gemäß den durch das Oxidationsmittel-Strömung-Regulierungsmittel gesteuerten/geregelten Proportionen setzt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei ein Wert von einem Druckverlust in einer Oxidationsmittel-Strömung erhalten wird auf der Basis von einer Beziehung zwischen den durch das Oxidationsmittel-Strömung-Regulierungsmittel gesteuerten/geregelten Proportionen, der Ziel-Strömungsrate und dem Druckverlust in der Oxidationsmittel-Strömung, und in dem Fall, in welchem eine Summe von dem Ziel-Druck und dem Wert von dem Druckverlust in der Oxidationsmittel-Strömung kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, eine Summe von einem zweiten vorbestimmten Wert und dem Ziel-Druck als ein neuer Ziel-Druck eingestellt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Oxidationsmittel-Strömung-Regulierungsmittel ein Strömungsrate-Regulierungsventil ist, welches in dem Befeuchter-Bypass angeordnet ist, und in dem Fall, in welchem eine Öffnung von dem Strömungsrate-Regulierungsventil größer als eine vorbestimmte Öffnung eingestellt ist, das Steuer-/Regelmittel eine Summe von einem vorbestimmten Wert und dem Ziel-Druck im Voraus als einen neuen Ziel-Druck einstellt.
Brennstoffzellensystem, umfassend: eine Brennstoffzelle, welcher Brenngas und Oxidationsgas zugeführt werden und welche elektrische Energie erzeugt; einen Oxidationsmittel-Zufuhrweg, durch welchen das Oxidationsgas strömt, welches der Brennstoffzelle zuzuführen ist; einen Oxidationsmittel-Abgasweg, durch welchen von der Brennstoffzelle abgeführtes Brennstoff-Abgas strömt; eine Oxidationsmittel-Pumpe von einem Drehtyp, welche das Oxidationsgas durch eine Drehbewegung aufnimmt und abgibt; ein Ist-Strömungsrate-Erfassungsmittel, welches eine Ist-Strömungsrate von dem Oxidationsgas erfasst; ein Drehzahl-Bestätigungsmittel, welches eine Drehzahl von der Oxidationsmittel-Pumpe bestätigt; ein Gegendruckventil, welches in dem Oxidationsmittelabgasweg angeordnet ist und einen Druck von dem zu einer Kathode von der Brennstoffzelle geleiteten Oxidationsgas steuert/regelt; und ein Steuer-/Regelmittel, welches das Gegendruckventil steuert/regelt, um eine Öffnung von dem Gegendruckventil in Schritten zu verkleinern, welche kleiner sind als Schritte, in welchen die Öffnung von dem Gegendruckventil gesteuert/geregelt wird, um größer zu werden, in dem Fall, in welchem die Ist-Strömungsrate größer als die Ziel-Strömungsrate ist, selbst wenn die Drehzahl von der Oxidationsmittel-Pumpe zu einem untersten Bereich der Drehzahl abgesenkt ist, nachdem das Gegendruckventil gesteuert/geregelt ist, um die Öffnung zu vergrößern.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, ferner umfassend ein Druckerfassungsmittel, welches den Druck von dem zu der Kathode geleiteten Oxidationsgas erfasst, wobei das Steuer-/Regelmittel eine Steuerung/Regelung von der Öffnung von dem Gegendruckventil abschließt, wenn der Druck auf einen vorbestimmten Druck ansteigt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Steuer-/Regelmittel die Öffnung von dem Gegendruckventil in dem Fall steuert/regelt, in welchem eine Leistungsabgabe von der Brennstoffzelle in einen vorbestimmten Zustand geringer Leistungsabgabe eingestellt ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Steuer-/Regelmittel die Öffnung von dem Gegendruckventil steuert/regelt, wenn eine Leistungsabgabe von der Brennstoffzelle in einem vorbestimmten Zustand geringer Leistungsabgabe gehalten wird.