-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem zum Steuern der Gaszufuhr/des Gasauslassens durch Abschätzen der Verunreinigungskonzentration in einer Brennstoffzelle.
-
2. Beschreibung des zugehörigen Stands der Technik
-
Es sind Brennstoffzellen bekannt, die auf Brennstoffzellenautomobile oder dergleichen anwendbar sind. Das Brennstoffzellensystem hat einen Brennstoffzellenstapel als eine Hauptkomponente und der Brennstoffzellenstapel hat eine Anode und eine Kathode. Wasserstoff wird als ein Brenngas zu der Anode zugeführt und die Luft wird zu der Kathode zugeführt. Ferner hat das Brennstoffzellensystem Komponenten wie etwa einen Tank zum Speichern des Brenngases, bspw. des zu der Anode zuzuführenden Wasserstoffs, und eine Pumpe, um das Abgas, welches nicht verbrauchtes Brenngas enthält, zu der Anode zurück zirkulieren zu lassen. In dem Brennstoffzellensystem reagiert der Wasserstoff mit Sauerstoff in der Luft um Elektrizität zu erzeugen.
-
Es ist bekannt, dass mit dem Fortschreiten der Reaktion in der Brennstoffzelle Stickstoff in dem Kathodengas (Luft) und bei der Reaktion erzeugtes Wasser von der Kathode in Richtung der Anode durch eine Elektrolytmembran entweichen. Daher nimmt der Partialdruck des Stickstoffs oder des Wasserdampfs (im Weiteren auch im Sammelbegriff als die „Verunreinigungen” bezeichnet) zu, und die Konzentration des Brenngases (Wasserstoffs) nimmt ab. Als ein Ergebnis wird die Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle auf ungewünschte Weise gesenkt.
-
Bei einem Versuch mit diesem Problem umzugehen, wird ein in einem Auslassdurchlass an der Anodenseite vorgesehenes Auslassventil (im Weiteren auch als ein „Wasserstoffsystem” bezeichnet) geöffnet, um das Gas auszulassen, das den unverbrauchten Wasserstoff und die Verunreinigungen enthält. Beispielsweise offenbart die
japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2003-168467 eine Technik in einem Brennstoffzellensystem, in dem eine Luftpumpe einer Brennstoffzelle bei einer Soll-Drehzahl betrieben wird und ein Luftregelventil zur Druckanpassung auf einen Soll-Druck verwendet wird. Bei der offenbarten Technik wird der Atmosphärendruck auf Grundlage der Drehzahl und der Ventilstellung des Druckregulationsventils abgeschätzt, um das Auslassintervall eines Wasserstoffauslassventils zu korrigieren. Falls ferner bei einer in der
japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2002-289237 offenbarten Technik die Verunreinigungskonzentration in einem Wasserstoffsystem zunimmt, wird ein Wasserstoffabgas (während der Erzeugung von Elektrizität verwendetes verbrauchtes Gas) von dem Wasserstoffsystem ausgelassen, um die Verunreinigungskonzentration zu senken.
-
Jedoch wird gemäß dem in der
japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2003-168467 offenbarten Stand der Technik das Auslassintervall lediglich auf Grundlage der Strömungsrate der Luft gesteuert, ohne den Gaszustand in dem Wasserstoffsystem zu berücksichtigen. Ferner wird gemäß dem in der
japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2002-289237 offenbarten Stand der Technik die Verunreinigungskonzentration lediglich auf Grundlage der seit dem Start des Betriebs des Brennstoffzellensystems verstrichenen Zeit oder der durch einen Wasserstoffkonzentrationssensor erfassten Wasserstoffkonzentration abgeschätzt und der Auslassbetrieb in dem Wasserstoffsystem wird in Übereinstimmung mit der abgeschätzten Verunreinigungskonzentration durchgeführt. Daher wird bei den Steuertechniken, die in der
japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2003-168467 und der
japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2002-289237 offenbart sind, der unverbrauchte Wasserstoff verschwenderischer Weise ausgelassen, da der gegenwärtige Zustand in dem Wasserstoffsystem beim Abschätzen der Verunreinigungskonzentration nicht berücksichtigt wird. Daher wird beispielsweise die Brennstoffeffizienz der Brennstoffzelle auf nicht gewünschte Weise gesenkt.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung wurde getätigt, um diese Probleme zu lösen, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, welches es möglich macht, die Verunreinigungskonzentration in einem Wasserstoffsystem einer Brennstoffzelle korrekt abzuschätzen, und das unnötige Gasauslassen in dem Wasserstoffsystem zu reduzieren.
-
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung hat ein Brennstoffzellensystem eine Druckermittlungseinrichtung zum Ermitteln eines Drucks in einem Wasserstoffsystem einer Brennstoffzelle, eine Druckabschätzeinrichtung zum Abschätzen eines Wasserstoffpartialdrucks in dem Wasserstoffsystem und eine Verunreinigungskonzentrationsabschätzeinrichtung zum Abschätzen einer Verunreinigungskonzentration in dem Wasserstoffsystem auf Grundlage des ermittelten Drucks und des abgeschätzten Drucks, wobei die Verunreinigunskonzentrationsabschätzeinrichtung abschätzt, dass die Verunreinigungskonzentration gleich oder höher als eine vorbestimmte Konzentration ist, wenn der durch die Druckermittlungseinrichtung ermittelte Druck gleich oder höher als ein oberer Wasserstoffsystemdruckgrenzwert ist, der ein oberer Grenzwert des Drucks ist, der eine stabile Energieerzeugung der Brennstoffzelle ermöglicht.
-
Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise in ein Brennstoffzellenautomobil montiert. Das Brennstoffzellensystem hat eine Druckermittlungseinrichtung zum Ermitteln des Drucks in einem Wasserstoffsystem (Anode) einer Brennstoffzelle und es hat eine Druckabschätzeinrichtung zum Abschätzen des Wasserstoffpartialdrucks in dem Wasserstoffsystem. Ferner hat das Brennstoffzellensystem eine Verunreinigungskonzentrationsabschätzeinrichtung zum Abschätzen der Verunreinigungskonzentration in dem Wasserstoffsystem auf Grundlage des ermittelten Drucks in dem Wasserstoffsystem und des abgeschätzten Wasserstoffpartialdrucks. D. h., die Verunreinigungskonzentrationsabschätzeinrichtung schätzt die Verunreinigungskonzentration unter Berücksichtigung des gegenwärtigen Zustands des Wasserstoffsystems ab. Somit schätzt die Verunreinigungskonzentrationsabschätzeinrichtung die Verunreinigungskonzentration in dem Wasserstoffsystem der Brennstoffzelle präzise ab.
-
Das Brennstoffzellensystem gemäß diesem Gesichtspunkt kann so konfiguriert sein, dass die Druckabschätzeinrichtung den oberen Wasserstoffsystemdruckgrenzwert auf Grundlage von zumindest einem aus einem Soll-Druckwert, einer Menge von in einer Anode vorhandenem Wasserstoff und einer maximal zulässigen Stickstoffmenge abschätzt, die ein Maximalwert einer Stickstoffmenge ist, bei dem eine Energieerzeugung in einer Anode stabil durchgeführt werden kann.
-
Das Brennstoffzellensystem gemäß diesem Gesichtspunkt kann eine Einrichtung aufweisen, um die Menge von zu dem Wasserstoffsystem zugeführtem Wasserstoff zu erhöhen, falls die Verunreinigungskonzentrationsabschätzeinrichtung abschätzt, dass die Verunreinigungskonzentration gleich oder höher als die vorbestimmte Konzentration ist, und der durch die Druckermittlungseinrichtung ermittelte Druck kleiner als der vorbestimmte Druck ist.
-
Gemäß diesem Gesichtspunkt kann das Brennstoffzellensystem die Menge von zu dem Wasserstoffsystem zugeführtem Wasserstoff erhöhen, falls die Verunreinigungskonzentrationsabschätzeinrichtung abschätzt, dass die Verunreinigungskonzentration gleich oder höher als die vorbestimmte Konzentration ist, und der durch die Druckermittlungseinrichtung ermittelte Druck kleiner als der vorbestimmte Druck ist. Die Verunreinigung beeinträchtigt die Energieerzeugungsstabilität der Brennstoffzelle stark. Daher ist es nicht möglich, von der Brennstoffzelle stabil Elektrizität zu erhalten, falls die Verunreinigungskonzentration gleich oder höher als die vorbestimmte Konzentration ist. Jedoch beeinträchtigt die Zunahme des Drucks die Brennstoffzelle selbst dann nicht nachteilig, wenn die Verunreinigungskonzentration gleich oder höher als die vorbestimmte Konzentration ist, solange der Druck in dem Wasserstoffsystem niedriger als der vorbestimmte Druck ist. Daher wird in einem solchen Fall die Menge des zu dem Wasserstoffsystem zugeführten Wasserstoffs erhöht. Somit wird eine stabile Energieerzeugung in dem Brennstoffzellensystem erreicht und ein verschwenderisches Gasauslassen in dem Wasserstoffsystem wird reduziert.
-
Das Brennstoffzellensystem gemäß dem Gesichtspunkt kann so konfiguriert sein, dass der vorbestimmte Druck ein maximal zulässiger Wasserstoffsystemdruck ist, der ein maximaler Druck des Wasserstoffsystems ist, der von der Brennstoffzelle ausgehalten bzw. toleriert werden kann.
-
Das Brennstoffzellensystem gemäß diesem Gesichtspunkt kann eine Einrichtung zum Auslassen von Fluid in das Wasserstoffsystem aufweisen, falls die Verunreinigungskonzentrationsabschätzeinrichtung abschätzt, das die Verunreinigungskonzentration gleich oder höher als die vorbestimmte Konzentration ist und der durch die Druckermittlungseinrichtung ermittelte Druck gleich oder höher als der vorbestimmte Druck ist.
-
Gemäß diesem Gesichtspunkt kann das Brennstoffzellensystem Gas in dem Wasserstoffsystem auslassen, falls die Verunreinigungskonzentrationsabschätzeinrichtung abschätzt, das die Verunreinigungskonzentration gleich oder höher als die vorbestimmte Konzentration ist und der ermittelte Druck in dem Wasserstoffsystem gleich oder höher als der vorbestimmte Druck ist. In diesem Fall ist die Verunreinigungskonzentration gleich oder höher als die vorbestimmte Konzentration und es ist nicht möglich, den Druck in dem Wasserstoffsystem in Hinsicht auf die Widerstandsfähigkeit bzw. Lebensdauer der Brennstoffzelle oder dergleichen zu erhöhen. Daher wird das Fluid in dem Wasserstoffsystem ausgelassen. D. h. durch Auslassen des Gases in dem Wasserstoffsystem wird die Verunreinigung ausgelassen, sodass die Energieerzeugungsstabilität der Brennstoffzelle zu erreicht wird und eine weitere Zunahme des auf die Brennstoffzelle aufgebrachten Drucks verhindert wird.
-
Das Brennstoffzellensystem gemäß diesem Gesichtspunkt kann eine Einrichtung zum Auslassen von Fluid in dem Wasserstoffsystem haben, falls die Verunreinigungskonzentrationsabschätzeinrichtung abschätzt, dass die Verunreinigungskonzentration gleich oder höher als die vorbestimmte Konzentration ist. Falls gemäß diesem Gesichtspunkt die Verunreinigungskonzentration gleich oder höher als die vorbestimmte Konzentration ist, kann die Menge des zuzuführenden Wasserstoffs nicht erhöht werden. Stattdessen kann das Fluid in dem Wasserstoffsystem immer ausgelassen werden, um die Verunreinigung zum Erreichen einer stabilen Energieerzeugung in der Brennstoffzelle auszulassen.
-
In dem Brennstoffzellensystem kann der vorbestimmte Druck bevorzugter Weise auf Grundlage der mechanischen Festigkeit der Brennstoffzelle bestimmt werden. In diesem Fall kann der vorbestimmte Druck auf Grundlage der mechanischen Festigkeit, etwa der Haltbarkeit bzw. Widerstandfähigkeit der Brennstoffzelle bestimmt werden.
-
Ferner kann in dem Brennstoffzellensystem die Druckabschätzeinrichtung bevorzugter Weise den Wasserstoffpartialdruck auf Grundlage der Menge des von die Brennstoffzelle konsumierten Wasserstoffs und der Menge des durch die Elektrolytmembran der Brennstoffzelle permiierten Wasserstoffs abschätzen und die Verunreinigunskonzentrationsabschätzeinrichtung kann die Verunreinigungskonzentration auf Grundlage des durch die Druckermittlungseinrichtung ermittelten Drucks, des abgeschätzten Drucks und der maximal zulässigen Stickstoffmenge der Brennstoffzelle abschätzen. In diesem Fall kann die Druckabschätzeinrichtung den wesentlichen Wasserstoffdruck in dem Wasserstoffsystem auf Grundlage der Menge des durch die Brennstoffzelle konsumierten Wasserstoffs und der Menge des durch die Elektrolytmembran der Brennstoffzelle permeierten Wasserstoffs abschätzen. Ferner kann die Verunreinigungskonzentrationsabschätzeinrichtung die Verunreinigungskonzentration auf Grundlage des ermittelten Drucks in dem Wasserstoffsystem, des abgeschätzten Wasserstoffdrucks und der maximal zulässigen Stickstoffmenge, die eine stabile Energieerzeugung der Brennstoffzelle erlaubt, abschätzen. Auf diese Weise kann die Verunreinigungskonzentrationsabschätzeinrichtung die Genauigkeit bei Abschätzen der Verunreinigungskonzentration weiter verbessern.
-
Das Brennstoffzellensystem gemäß diesem Gesichtspunkt kann so konfiguriert sein, dass die Druckabschätzeinrichtung eine Menge des durch eine Elektrolytmembran der Brennstoffzelle permiierten Wasserstoffs auf Grundlage der Energieerzeugungsmenge und der Temperatur der Brennstoffzelle berechnet.
-
Das Brennstoffzellensystem gemäß diesem Gesichtspunkt kann so konfiguriert sein, dass die Druckabschätzeinrichtung die maximal zulässige Stickstoffmenge auf Grundlage der Energieerzeugungsmenge und der Temperatur der Brennstoffzelle berechnet.
-
Das Brennstoffzellensystem gemäß diesem Gesichtspunkt kann so konfiguriert sein, dass die Druckabschätzeinrichtung die maximal zulässige Stickstoffmenge auf Grundlage der Energieerzeugungsmenge und der Temperatur der Brennstoffzelle berechnet.
-
Das Brennstoffzellensystem gemäß den Gesichtspunkt kann so konfiguriert sein, dass die Verunreinigungskonzentrationsabschätzeinrichtung die Verunreinigungskonzentration auf Grundlage des durch die Druckermittlungseinrichtung ermittelten Drucks, des durch die Druckabschätzeinrichtung abgeschätzten Drucks, einer Stickstoffmenge in dem Wasserstoffsystem und der maximal zulässigen Stickstoffmenge der Brennstoffzelle abschätzt.
-
Das Brennstoffzellensystem gemäß diesem Gesichtspunkt kann so konfiguriert sein, dass die Druckabschätzeinrichtung den Wasserstoffpartialdruck auf Grundlage der Menge des zu der Brennstoffzelle zugeführten Wasserstoffs und der Menge des von der Brennstoffzelle konsumierten Wasserstoffs abschätzt und die Verunreinigungskonzentrationsabschätzeinrichtung die Verunreinigungskonzentration auf Grundlage des durch die Druckermittlungseinrichtung ermittelten Drucks, des durch die Druckabschätzeinrichtung abgeschätzten Drucks und der maximal zulässigen Stickstoffmenge der Brennstoffzelle abschätzt.
-
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung hat ein Brennstoffzellensystem eine Druckermittlungseinrichtung zum Ermitteln eines Drucks in einem Wasserstoffsystem einer Brennstoffzelle, eine Druckabschätzeinrichtung zum Abschätzen eines Wasserstoffpartialdrucks in dem Wasserstoffsystem und eine Verunreinigungsmengenabschätzeinrichtung zum Abschätzen einer Verunreinigungsmenge in dem Wasserstoffsystem auf Grundlage des ermittelten Drucks und des abgeschätzten Drucks.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch die Struktur eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
-
2 ist ein Ablaufdiagramm, das den Prozess des Abschätzens der Verunreinigungskonzentration gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht;
-
3 ist ein Kennfeld, das zum Bestimmen der permeierten Wasserstoffmenge verwendet wird; und
-
4 ist ein Kennfeld, das zum Bestimmen der Menge der maximal zulässigen Stickstoffmenge verwendet wird.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
-
Im Weiteren werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
-
[Struktur des Brennstoffzellensystems]
-
1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch die Struktur eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
-
Das Brennstoffzellensystem 50 hat einen Strömungsmesser 2, ein Zuführventil 3, eine Druckanzeige 4, einen Temperatursensor 5, einen Stromsensor 6, ein Auslassventil 8, eine ECU (Elektronische Steuereinheit) 10, Zuführdurchlässe 11, 12 und Auslassdurchlässe 13, 14 als Hauptkomponenten. Das Brennstoffzellensystem 50 ist beispielsweise an einem Brennstoffzellenautomobil (im Weiteren einfach als das „Fahrzeug” bezeichnet) montiert und realisiert verschiedene Steuerungen an der Brennstoffzelle (dem Brennstoffzellenstapel) 1.
-
Die Brennstoffzelle 1 ist durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen ausgebildet. Jede der Einheitszellen ist zwischen elektrisch leitfähigen Trennelementen zwischen gelegt und hat eine Elektrolytmembran 1c und hat an beiden Seiten der Elektrolytmembran 1c Elektroden. Jede der Elektroden hat eine Struktur beispielsweise aus einer porösen Gasdiffusionsschicht. Das Niveau der von der Brennstoffzelle 1 gesammelten Ausgabespannung hängt von der Anzahl der Einheitszellen ab. Zum Zwecke eines einfacheren Verständnisses zeigt 1 die Struktur lediglich einer Einheitszelle, die eine Kathode (Luftelektrode) 1a und eine Anode 1b an Oberflächen der Elektrolytmembran 1c aufweist. In 1 wird von dem Zuführdurchlass 11 die Luft zu der Kathode 1a zugeführt und von dem Zuführdurchlass 12 wird Wasserstoff zu der Anode 1b zugeführt, um Elektrizität zu erzeugen.
-
Die Brennstoffzelle 1 wird als eine Energiequelle zum Zuführen von Elektrizität zu einem Motor verwendet, der das Fahrzeug antreibt, und sie erzeugt eine hohe Gleichspannung von ca. 300 V. Die in der Brennstoffzelle 1 erzeugte Spannung wird auf einen Wandler bzw. Umrichter aufgebracht, um die Elektrizität zu dem Motor in Übereinstimmung mit einem Befehlsdrehmoment oder dergleichen, verschiedenen in dem Fahrzeug montierten Hilfsvorrichtungen und einer Batterie (Sekundärbatterie) zum Zuführen von Elektrizität zu den Hilfsvorrichtungen (diese Lasten sind kollektiv als die „Last 7” gezeigt) über ein Energiezuführkabel 15 zuzuführen.
-
Die Luft strömt durch den Zuführdurchlass 11 und der Wasserstoff strömt durch den Zuführdurchlass 12. Ferner strömt das von der Kathode 1a ausgelassene Gas durch den Auslassdurchlass 13 und das von der Anode 1b ausgelassene Gas strömt durch den Auslassdurchlass 14.
-
Als nächstes werden verschiedene Sensoren und Ventile des Brennstoffzellensystems 50 beschrieben. Der Strömungsmesser 2, das Zuführventil 3 und die Druckanzeige 4 sind entlang des Zuführdurchlasses 12 vorgesehen. Der Strömungsmesser 2 erfasst die Strömungsrate des durch den Zuführdurchlass 12 strömenden Fluids. Das heißt, die durch den Strömungsmesser 2 erfasste Strömungsrate entspricht der Menge des zu der Anode 1b zugeführten Wasserstoffs. Der Strömungsmesser 2 gibt zu der ECU 10 ein Signal S1 aus, das der erfassten Strömungsrate entspricht.
-
Das Zuführventil 3 stellt die Strömungsrate des zu der Anode 1b zugeführten Wasserstoffs (die Menge des Wasserstoffs) ein. Das Zuführventil 3 wird durch ein von der ECU 10 ausgegebenes Steuersignal S2 gesteuert. Falls die Ventilposition des Steuerventils 3 präzise einstellbar ist, muss der vorstehend beschriebene Strömungsmesser 2, der die Strömungsrate direkt erfasst, nicht verwendet werden. In diesem Fall wird die Strömungsrate des zu der Anode 1b zugeführten Wasserstoffs auf Grundlage der Ventilstellung des Zuführventils 3 bestimmt. Falls ferner das Zuführventil 3 ein Injektor oder dergleichen ist (d. h., falls die Steuerung des Öffnens oder Schließens des Ventils auf Grundlage der relativen Einschaltdauer des Steuerimpuls des zugeführten elektrischen Stroms realisiert wird), braucht der Strömungsmesser 2 nicht verwendet werden. In diesem Fall wird die Strömungsrate auf Grundlage des Drucks und der Temperatur an einer stromaufwärtigen Stelle und des Signals zum Öffnen des Ventils bestimmt.
-
Das Druckmessgerät 4 erfasst den Druck in dem Zuführdurchlass 12, d. h., den Druck an der Anode 1b der Brennstoffzelle 1. Das heißt, das Druckmessgerät 4 dient als eine Druckermittlungseinrichtung zum Erhalten des Drucks in dem Wasserstoffsystem der Brennstoffzelle 1. Das Druckmessgerät 4 gibt zu der ECU 10 ein dem erfassten Druck entsprechendes Signal S3 aus.
-
Ferner ist der Temperatursensor 5 für die Brennstoffzelle 1 vorgesehen. Das heißt, der Temperatursensor 5 erfasst die Temperatur der Brennstoffzelle 1. Der Temperatursensor 5 gibt zu der ECU 10 ein der erfassten Temperatur entsprechendes Signal S4 aus. Der Temperatursensor 5 kann nicht direkt in der Brennstoffzelle 1 vorgesehen sein. Beispielsweise kann alternativ die Temperatur eines zu der Brennstoffzelle 1 zugeführten Kühlmittels als die Temperatur der Brennstoffzelle 1 verwendet werden. Das heißt, es ist nicht nötig, die Temperatur der Brennstoffzelle 1 direkt zu erfassen. Falls irgendeine Temperatur vorhanden ist, die die Temperatur der Brennstoffzelle 1 präzise wiedergeben kann, kann alternativ eine solche Temperatur verwendet werden.
-
Der Stromsensor 6 ist in dem Energiezuführkabel 15 vorgesehen. Der Stromsensor 6 erfasst den Stromwert der durch die Brennstoffzelle 1 erzeugten Elektrizität. Der Stromsensor 6 gibt zu der ECU 10 ein dem erfassten Stromwert entsprechendes Signal S5 aus. Das Ausgabesignal S5 von dem Stromsensor 6 entspricht der Menge der in der Brennstoffzelle 1 erzeugten Energie. Ferner ist das Auslassventil 6 in dem Auslassdurchlass 14 vorgesehen. Der Auslassdurchlass 8 lässt das Gas von der Anode 1b aus, das unverbrauchten Wasserstoff und Verunreinigungen (beispielsweise Wasserstoff und Wasser) enthält. Das Auslassventil 8 wird durch ein von der ECU 10 ausgegebenes Steuersignal S6 gesteuert.
-
Die ECU 10 hat nicht dargestellte Komponenten, etwa eine CPU, einen ROM, einen RAM, einen A/D-Wandler und eine I/O-Schnittstelle. Wie vorstehend beschrieben ist, steuert die ECU 10 das Zuführventil 3 und das Auslassventil 8 auf Grundlage der von dem Strömungsmesser 2, dem Druckmessgerät 4, dem Temperatursensor 5 und dem Stromsensor 6 ausgegebenen Erfassungssignalen S1, S3, S4 und S5. Das heißt, die ECU 10 versorgt das Zuführventil 3 und das Auslassventil 8 jeweils mit Steuersignalen S2 und S6. In dem Ausführungsbeispiel der Erfindung schätzt die ECU 10 den gegenwärtigen Wasserstoffpartialdruck in der Anode 1b ab und sie schätzt die Konzentration (oder die Menge) von Verunreinigungen in der Anode 1b auf Grundlage des abgeschätzten Wasserstoffpartialdrucks präzise ab. Dann steuert die ECU 10 das Zuführventil 3 oder das Auslassventil 8 auf Grundlage der abgeschätzten Verunreinigungskonzentration. Das heißt, die ECU 10 erhöht die Menge des zu der Anode 1b zugeführten Wasserstoffs oder lässt das Gas von der Anode 1b auf Grundlage der abgeschätzten Verunreinigungskonzentration ab. Die Schätzmethode und die Steuerung der Ventile wird nachstehend ausführlich beschrieben. Wie vorstehend beschrieben ist, funktioniert die ECU 10 als eine Druckabschätzeinrichtung zum Abschätzen des Wasserstoffpartialdrucks in dem Wasserstoffsystem und die Verunreinigungskonzentrationsschätzeinrichtung dient zum Abschätzen der Verunreinigungskonzentration.
-
[Schätzverfahren der Verunreinigungskonzentration]
-
Im weiteren Verlauf werden das Schätzverfahren der Verunreinigungskonzentration und das Steuerverfahren des Zuführventils 3 und des Auslassventils 8 auf Grundlage des Schätzergebnisses beschrieben, wobei das Abschätzen und das Steuern insbesondere durch die ECU 10 durchgeführt wird.
-
2 ist ein Ablaufdiagramm, das den durch die ECU 10 ausgeführten Prozess zeigt. Der Prozess wird wiederholtermaßen bei vorbestimmten Abständen während dem Betrieb der Brennstoffzelle 1 durchgeführt. Beispielsweise ist es zu bevorzugen, dass der Prozess bei einer kurzen Frequenz von 1 Hz oder mehr durchgeführt wird.
-
Nun wird kurz der Gesamtablauf des Prozesses beschrieben. Zunächst schätzt die ECU 10 bei Schritten S11 bis S18 die Verunreinigungskonzentration auf Grundlage des gegenwärtigen Zustands der Brennstoffzelle 1 ab, bestimmt dann, ob die abgeschätzte Verunreinigungskonzentration gleich oder höher als eine vorbestimmte Konzentration ist und bestimmt, ob der Druck in der Anode 1b den maximal zulässigen Wasserstoffsystemdruck erreicht hat. Von Schritten S19 bis S21 steuert die ECU 10 das Zuführventil 3 und das Auslassventil 8 auf Grundlage des Bestimmungsergebnisses, um den unnötigen Gasablass in dem Wasserstoffsystem zu reduzieren, während eine durch die Brennstoffzelle 1 durchgeführte stabile Energieerzeugung beibehalten wird. In dem Prozess kann die „Verunreinigungsmenge” anstelle der „Verunreinigungskonzentration” abgeschätzt werden. Da das Volumen der Brennstoffzelle 1 konstant ist, stehen die Konzentration und die Menge in direkter Proportion zueinander.
-
In der folgenden Beschreibung wird unterstellt, dass als die Verunreinigung lediglich Stickstoff berücksichtigt wird. Dies liegt daran, dass Stickstoff der wichtigste Faktor ist, der die Energieerzeugungsstabilität der Brennstoffzelle 1 beeinträchtigt. Obwohl das Gas an der Anode 1b andere Verunreinigungen, etwa Wasserdampf, enthält, ist die Wasserdampfmenge normalerweise konstant, solange die Temperatur konstant ist. Daher kann die Wasserdampfmenge aus der Betrachtung herausgezogen werden, indem auf Grundlage der Unterstellung, dass die Temperatur nahezu konstant ist, ein vorbestimmter Grenzwert gesetzt wird, oder indem der Grenzwert auf Grundlage der Temperatur korrigiert wird.
-
In Schritt S11 setzt die ECU 10 einen Anfangswert der Stickstoffmenge in der Anode 1b (Stickstoffmenge (Anfangswert)) und einen integrierten Wert der permeierten Wasserstoffmenge. Im Allgemeinen wird Schritt S11 beispielsweise zum Zeitpunkt des Startens des Betriebs der Brennstoffzelle 1 durchgeführt. Der Anfangswert der Stickstoffmenge wird unter Verwendung des von dem Druckmessgerät 4 zur Verfügung gestellten Druckwerts eingestellt (des dem Signal S3 entsprechenden Druckwerts). Nachdem seit dem Stoppen des Betriebs der Brennstoffzelle 1 eine bestimmte Zeit verstrichen ist, beträgt die Stickstoffkonzentration in dem Wasserstoffsystem der Brennstoffzelle 1 nahezu 100% und der Druck stimmt mit dem Atmosphärendruck überein. Ferner ist in dem Fall, dass die Wasserstoffkonzentration 100% beträgt (d. h., dass die Stickstoffkonzentration 0% beträgt), der Ausgabewert des Druckmessgeräts 4 bekannt. Daher wird auf Grundlage der Beziehung zwischen dem Druck und der Stickstoffmenge die Stickstoffmenge in dem Wasserstoffsystem unter Verwendung des von dem Druckmessgerät 4 ausgegebenen Druckwerts berechnet. Wenn der Betrieb der Brennstoffzelle 1 gestoppt wird und danach unmittelbar wieder gestartet wird kann die während dem letzten Betrieb erhaltene Stickstoffmenge als der Anfangswert verwendet werden.
-
Die permeierte Wasserstoffmenge ist die Menge des Wasserstoffs, der von der Anode 1b durch die Elektrolytmembran 1c zu der Kathode 1a permeiert ist. Während dem Betrieb der Brennstoffzelle 1 nimmt die permeierte Wasserstoffmenge mit dem Verstreichen der Zeit zu. Beispielsweise wird zum Zeitpunkt des Startens des Betriebs der Brennstoffzelle 1 der Anfangswert des integrierten Werts der permeierten Wasserstoffmenge auf „0” gesetzt. Nach dem vorgenannten Schritt schreitet der Prozess zu Schritt S12 vor.
-
In Schritt S12 bestimmt die ECU 10 die Menge des bei der Energieerzeugung verbrauchten Wasserstoffs, d. h., die Menge des bei der Energieerzeugung der Brennstoffzelle 1 verbrauchten Wasserstoffs (im weiteren Verlauf einfach als die „verbrauchte Wasserstoffmenge” bezeichnet, wo dies angebracht ist). Die ECU 10 ermittelt den von dem Stromsensor 6 zur Verfügung gestellten Stromwert (der dem Signal S5 entspricht) und berechnet die verbrauchte Wasserstoffmenge auf Grundlage der bekannten Beziehung zwischen der verbrauchten Wasserstoffmenge und dem Stromwert (d. h., der Energieerzeugungsmenge). Dann schreitet der Ablauf zu Schritt S13 vor.
-
In Schritt S13 bestimmt die ECU 10 den integrierten Wert der Menge des Wasserstoffs, der sich durch Permeieren durch die Elektrolytmembran 1c von der Anode 1b zu der Kathode 1a bewegt hat (im Weiteren als „permeierte Wasserstoffmenge” bezeichnet). Ein Verfahren zum Berechnen der permeierten Wasserstoffmenge wird unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. In 3 gibt die Horizontalachse die Energieerzeugungsmenge der Brennstoffzelle an und die Vertikalachse gibt die Temperatur der Brennstoffzelle 1 an. Ferner ist jede der Kurven A1 eine charakteristische Kurve, die die Beziehung unter der permeierten Wasserstoffmenge, der Energieerzeugungsmenge und der Temperatur der Brennstoffzelle 1 anzeigt. Das heißt, die permeierte Wasserstoffmenge hängt von der Energieerzeugungsmenge und der Temperatur der Brennstoffzelle 1 ab. Wie aus den charakteristischen Kurven A1 (im Weiteren auch als „Kennfeld A1” bezeichnet) ersichtlich ist, nimmt die permeierte Wasserstoffmenge mit der Zunahme der Energieerzeugungsmenge und der Zunahme der Temperatur der Brennstoffzelle 1 zu. Wie vorstehend beschrieben ist, ermittelt die ECU 10 in Schritt S13 die Energieerzeugungsmenge der Brennstoffzelle 1 aus dem Stromsensor 6 und ermittelt die Temperatur der Brennstoffzelle 1 von dem Temperatursensor 5, um die permeierte Wasserstoffmenge auf Grundlage der ermittelten Werte und des Kennfelds A1 zu bestimmen. Die ECU 10 addiert die bestimmte permeierte Wasserstoffmenge auf den zuletzt integrierten Wert der permeierten Wasserstoffmenge. Nach dem vorstehend genannten Schritt schreitet der Ablauf zu Schritt S14 vor. Die Daten des Kennfelds A1 sind in dem Speicher der ECU 10 oder dergleichen gespeichert.
-
In Schritt S14 berechnet die ECU 10 die maximal zulässige Stickstoffmenge. Die maximal zulässige Stickstoffmenge ist der Maximalwert der Stickstoffmenge, bei der eine Energieerzeugung in der Anode 1b stabil durchgeführt werden kann. Das heißt, falls die Menge des Stickstoffs in der Anode 1b größer als die maximal zulässige Stickstoffmenge ist, ist die Energieerzeugung der Brennstoffzelle 1 nicht stabil. Ein Verfahren zum Berechnen der maximal zulässigen Stickstoffmenge wird unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. In 4 gibt die Horizontalachse die Energieerzeugungsmenge der Brennstoffzelle 1 wieder und die Vertikalachse gibt die maximal zulässige Stickstoffmenge wieder. Jede der Kurven A2 in 4 ist eine charakteristische Kurve, die die Beziehung zwischen der Energieerzeugungsmenge, der maximal zulässigen Stickstoffmenge und der Temperatur der Brennstoffzelle 1 angibt. Das heißt, die maximal zulässige Stickstoffmenge hängt auch von der Energieerzeugungsmenge und der Temperatur der Brennstoffzelle 1 ab. Wie aus den charakteristischen Kurven A2 (im Weiteren auch als das „Kennfeld A2” bezeichnet, wo es angebracht ist) ersichtlich ist, neigt die maximal zulässige Stickstoffmenge dazu, mit der Zunahme der Energieerzeugungsmenge abzunehmen. Dies liegt daran, dass es nötig ist, die Zunahme der Auslassmenge von Stickstoff als Verunreinigung zu erhöhen, wenn die Energieerzeugungsmenge groß ist. Ferner neigt die maximal zulässige Stickstoffmenge dazu, mit der Abnahme der Temperatur der Brennstoffzelle 1 abzunehmen. Dies liegt daran, dass es schwieriger wird, eine Energieerzeugung durchzuführen, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 1 (die Kühlmitteltemperatur in dem Brennstoffzellenstapel) niedriger wird und es somit erforderlich wird, die Wasserstoffkonzentration zu erhöhen. Wie vorstehend beschrieben ist, ermittelt die ECU 10 in Schritt S14 die Energieerzeugungsmenge der Brennstoffzelle 1 von dem Stromsensor 6, sie ermittelt die Temperatur der Brennstoffzelle 1 von dem Temperatursensor 5 und sie bestimmt die maximal zulässige Stickstoffmenge auf Grundlage dieser ermittelten Werte und des Kennfelds A2. Dann schreitet der Ablauf zu Schritt S15. Die Daten des Kennfelds A2 sind ebenso in dem Speicher in der ECU 10 oder dergleichen gespeichert.
-
In Schritt S15 bestimmt die ECU 10 den maximal zulässigen Wasserstoffsystemdruck. Der maximal zulässige Wasserstoffsystemdruck ist der Maximaldruck des Wasserstoffsystems, der durch die Brennstoffzelle 1 toleriert wird. Der Wert des maximal zulässigen Wasserstoffsystemdrucks wird durch die mechanische Festigkeit, etwa die Haltbarkeit der Brennstoffzelle 1 bestimmt und als der maximal zulässige Wasserstoffsystemdruck kann ein fester Wert verwendet werden. Die ECU 10 liest den maximal zulässigen Wasserstoffsystemdruck aus einem Speicher oder dergleichen und verwendet diesen Wert. Der gelesene maximal zulässige Wasserstoffsystemdruck kann in Übereinstimmung mit dem Zustand des Brennstoffzellensystems 50 korrigiert werden. Falls der maximal zulässige Wasserstoffsystemdruck auf Grundlage der Druckdifferenz zwischen dem Luftdruck an der Kathodenseite und dem maximal zulässigen Wasserstoffsystemdruck definiert ist, kann der maximal zulässige Wasserstoffsystemdruck ferner beispielsweise auf Grundlage eines vorbestimmten Kennfelds bestimmte werden, das den Luftdruck an der Kathodenseite als einen Parameter verwendet. Nachdem der vorstehend erwähnte Schritt vollendet ist, schreitet der Ablauf zu Schritt S16.
-
In Schritt S16 bestimmt die ECU 10 den Wasserstoffsystemdruckobergrenzwert unter Verwendung der in Schritten S12 bis S14 bestimmten Werte. Der Wasserstoffsystemdruckobergrenzwert ist ein oberer Grenzwert des Drucks in der Anode 1, der eine stabile Energieerzeugung bei dem gegenwärtigen Niveau der Energieerzeugungsmenge ermöglicht. Der Wasserstoffsystemdruckobergrenzwert kann durch die folgende Gleichung (1) bestimmt werden. Wasserstoffsystemdruckobergrenzwert = Solldruckwert + (zugeführte Wasserstoffmenge – verbrauchte Wasserstoffmenge – integrierter Wert der permeierten Wasserstoffmenge) + (maximal zulässige Stickstoffmenge – Anfangswert der Wasserstoffmenge) (Gleichung 1) wobei der durch den ersten Ausdruck an der rechten Seite der Gleichung (1) angegebene „Solldruckwert” ein Wert ist, der durch die für die Brennstoffzelle 1 erforderliche Energieerzeugungsmenge bestimmt ist. Insbesondere wird der Solldruckwert auf Grundlage der von außen zu der ECU 10 zugeführten erforderlichen Energieerzeugungsmenge bestimmt.
-
Ferner ist in dem zweiten Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung die „zugeführte Wasserstoffmenge” die Menge des zu der Brennstoffzelle 1 zugeführten Wasserstoffs (die dem erfassten Wert entspricht, der durch das Erfassungssignal S1 von dem Strömungsmessgerät 2 angezeigt wird), die „konsumierte Wasserstoffmenge” ist der in Schritt S12 bestimmte Wert und der „integrierte Wert der permeierten Wasserstoffmenge” ist der in Schritt S13 bestimmte Wert. Das heißt, in dem zweiten Ausdruck der rechten Seite der Gleichung (1) wird die vorhandene Menge des Wasserstoffs bestimmt, der tatsächlich in der Anode 1b vorhanden ist. Die Wasserstoffmenge wird in den Druckwert umgewandelt und der umgewandelte Druckwert wird als die Wasserstoffmenge verwendet.
-
Ferner entspricht der dritte Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (1) der maximalen Stickstoffmenge, die ferner von dem gegenwärtigen Zustand der Anode 1b toleriert werden kann. Die Stickstoffmenge wird auch in den Druckwert umgewandelt und der umgewandelte Druckwert wird als die Stickstoffmenge verwendet. Die „maximal zulässige Stickstoffmenge” ist der in Schritt S14 bestimmte Wert. Der „Anfangswert der Stickstoffmenge” ist der in Schritt S11 gesetzte Wert. Nachdem der Wasserstoffsystemdruckobergrenzwert auf diese Weise berechnet wurde schreitet der Ablauf zu Schritt S17.
-
In Schritt S17 bestimmt die ECU 10, ob der durch das Druckmessgerät 4 erfasste Druckwert (der dem Signal S3 entspricht), d. h., der in der Anode 1b vorliegende Druck (im Weiteren als der „Druckwert in dem Wasserstoffsystem” bezeichnet) gleich oder höher als der Wasserstoffsystemdruckobergrenzwert ist, der in Schritt S16 bestimmt wurde. Der Wasserstoffsystemdruckobergrenzwert gibt den Wasserstoffsystemdruckwert an, der in einem Zustand erhalten wird, in dem die Menge des in der Anode 1b vorhandenen Stickstoffs (Verunreinigung) in einem zulässigen Bereich maximal ist. Daher wird ein Vergleich zwischen dem Druckwert in dem Wasserstoffsystem und dem Wasserstoffsystemdruckobergrenzwert durchgeführt, um zu bestimmen, ob die Verunreinigungskonzentration in der Anode 1b gleich oder höher als eine vorbestimmte Konzentration ist (ob die Menge der Verunreinigung gleich oder höher als eine vorbestimmte Menge ist).
-
Falls der Druckwert in dem Wasserstoffsystem kleiner als der Wasserstoffsystemdruckobergrenzwert ist (NEIN in Schritt S17), geht der durch die ECU 10 durchgeführte Ablauf zu Schritt S12 zurück. Da die Verunreinigungskonzentration in der Anode 1b kleiner als die vorbestimmte Konzentration ist, wird daher ein zusätzlicher Wasserstoff zu der Anode 1b zugeführt, ohne das Auslassventil 8 zum Auslassen der Verunreinigungen zu öffnen.
-
Falls der Druckwert in dem Wasserstoffsystem gleich oder höher als der Wasserstoffsystemdruckobergrenzwert ist (JA in schritt S17), schreitet der Ablauf zu Schritt S18 vor. In Schritt S18 bestimmt die ECU 10, ob der Druckwert in dem Wasserstoffsystem gleich oder höher als der maximal zulässige Wasserstoffsystemdruck ist, der in Schritt S15 bestimmt wurde. Das heißt, in Schritt S18 bestimmt die ECU 10, ob der vorliegende Druck in dem Wasserstoffsystem die übermäßige Kraft aufbringt, sodass die Widerstandsfähigkeit der Brennstoffzelle 1 beeinträchtig wird, d. h., ob es unmöglich ist, den Druck in der Anode 1b weiter zu erhöhen.
-
Falls der Druck in dem Wasserstoffsystem kleiner als der maximal zulässige Wasserstoffsystemdruck ist (NEIN in Schritt S18), wird bestimmt, dass die Widerstandsfähigkeit der Brennstoffzelle 1 durch die Zunahme des Zuführdrucks des Wasserstoffs nicht beeinträchtigt wird. Daher schreitet der Prozess zu Schritt S19. In Schritt S19 erhöht die ECU 10 den Wasserstoffsystemsolldruck. Das heißt, die ECU 10 führt den zusätzlichen Wasserstoff zu der Anode 1b zu, ohne das Auslassventil 8 zu öffnen und erhöht die Menge des zu dem Wasserstoffsystem zugeführten Wasserstoffs aus folgendem Grund. Die Verunreinigungskonzentration ist die vorbestimmte Konzentration und mehr, da der Druckwert in dem Wasserstoffsystem kleiner als der maximal zulässige Wasserstoffsystemdruck ist. Daher wird die Widerstandsfähigkeit der Brennstoffzelle 1 nicht durch die Erhöhung des Drucks in Folge der Zufuhr des Wasserstoffs beeinträchtigt. Somit ist es möglich, die unnötige Gasabgabe in das Wasserstoffsystem zu unterdrücken, ohne die Energieerzeugungsstabilität der Brennstoffzelle 1 zu reduzieren. Nachdem der vorstehend genannte Schritt vollendet wurde kehrt der Ablauf zu Schritt S12 zurück.
-
Falls der Druckwert in dem Wasserstoffsystem gleich oder höher als der maximal zulässige Wasserstoffsystemdruck ist (JA in Schritt S18) schreitet der Ablauf zu Schritt S20. In Schritt S20 öffnet die ECU 10 das Auslassventil 8 um das Fluid (bspw. Wasserstoff, Stickstoff oder Wasser in der Anode 1b) auszulassen. In diesem Fall ist die Verunreinigungskonzentration gleich oder höher als die vorbestimmte Konzentration und der Druckwert in dem Wasserstoffsystem hat den maximal zulässigen Wasserstoffsystemdruck erreicht. Daher ist es nicht möglich, den Zuführdruck des Wasserstoffs weiter zu erhöhen. Somit öffnet die ECU 10 das Auslassventil 8, um die Verunreinigungen auszulassen und den Druck in der Anode 1b zu reduzieren. Dieser Betrieb wird durchgeführt, um die stabile Energieerzeugung durch Auslassen der Verunreinigungen zu erreichen, und um zu verhindern, dass ein weiterer Druck auf die Brennstoffzelle 1 aufgebracht wird. Die ECU 10 steuert das Auslassventil 8 auf Grundlage des Druckwerts in dem Wasserstoffsystem oder dergleichen (beispielsweise bestimmt die ECU 10 die Ventilöffnungsdauer (relative Einschaltdauer) oder dergleichen). Nachdem der vorstehend erwähnte Schritt vollendet wurde schreitet der Ablauf zu Schritt S21 vor.
-
Falls der Druckwert in dem Wasserstoffsystem gleich oder höher als der maximal zulässige Wasserstoffsystemdruck ist (JA in Schritt S18), schreitet der Ablauf zu Schritt S20 vor. In Schritt S20 öffnet die ECU 10 das Auslassventil 8, um das Fluid (bspw. Wasserstoff, Stickstoff und Wasser in der Anode 1b) auszulassen. In diesem Fall ist die Verunreinigungskonzentration gleich oder höher als die vorbestimmte Konzentration und der Druckwert in dem Wasserstoffsystem hat den maximal zulässigen Wasserstoffsystemdruck erreicht. Daher ist es nicht möglich, den Zuführdruck des Wasserstoffs weiter zu erhöhen. Somit öffnet die ECU 10 das Auslassventil 8, um die Verunreinigungen auszulassen und den Druck in der Anode 1b zu senken. Dieser Betrieb wird durchgeführt, um die stabile Energieerzeugung durch Auslassen der Verunreinigungen zu erreichen und um zu verhindern, dass auf die Brennstoffzelle 1 ein weiterer Druck aufgebracht wird. Die ECU 10 steuert das Auslassventil 8 auf Grundlage des Druckwerts in dem Wasserstoffsystem oder dergleichen (bspw. bestimmt die ECU 10 die Ventilöffnungsdauer (relative Einschaltdauer) oder dergleichen). Nachdem der vorgenannten Schritt vollendet ist, schreitet der Ablauf zu Schritt S21 vor.
-
In Schritt S21 setzt die ECU 10 den Anfangswert der Stickstoffmenge und den integrierten Wert der Menge des permeierten Wasserstoffs zurück. Genauer gesagt setzt die ECU 10 den Anfangswert der Stickstoffmenge auf „(vorhandenen Stickstoffmenge) – (ausgelassene Stickstoffmenge)” und setzt den integrierten Wert der Menge des permeirten Wasserstoffs auf „0”. Die „ausgelassene Stickstoffmenge” wird beispielsweise durch das vorstehend beschriebene Steuerverfahren des Auslassventils 8 berechnet (etwa aus der Ventilöffnungsdauer und dem Druck an der stromaufwärtigen Stelle stromaufwärts des Ventils). Nachdem der vorstehend erwähnte Schritt vollendet ist schreitet der Ablauf zu Schritt S12 zurück.
-
Wie vorstehend beschrieben ist wird in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel die Verunreinigungskonzentration auf Grundlage des gegenwärtigen Zustands des Wasserstoffsystems der Brennstoffzelle 1 abgeschätzt. Daher wird die Genauigkeit beim Abschätzen der Verunreinigungskonzentration verbessert. Da ferner die Zufuhr/das Auslassen des Gases in dem Wasserstoffsystem auf Grundlage des Abschätzungsergebnisses gesteuert wird, ist es möglich die durch die Brennstoffzelle 1 durchgeführte stabile Energieerzeugung beizubehalten und den unnötigen Gasablass in dem Wasserstoffsystem zu unterdrücken. Da ferner in dem Ausführungsbeispiel der Erfindung die Zufuhr/das Auslassen des Gases in dem Wasserstoffsystem zu dem auf Grundlage des maximal zulässigen Wasserstoffsystemdrucks der Brennstoffzelle 1 gesteuert wird, ist es möglich, den unnötigen Gasablass in dem Wasserstoffsystem zu unterdrücken, ohne die Widerstandsfähigkeit der Brennstoffzelle 1 zu beeinträchtigen. Somit wird der Brennstoffverbrauch der Brennstoffzelle 1 verbessert.
-
[Modifiziertes Beispiel]
-
Im weiteren Verlauf wird ein modifiziertes Beispiel des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels beschrieben.
-
In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die „Stickstoffmenge” zum Abschätzen der Verunreinigungskonzentration oder dergleichen verwendet. Jedoch ist die Erfindung nicht in Hinsicht darauf beschränkt. Alternativ kann zum Abschätzen die „Stickstoffkonzentration” verwendet werden. Ferner kann anstelle des Abschätzens der Verunreinigungskonzentration die Verunreinigungsmenge abgeschätzt werden und die vorstehend beschriebene Steuerung kann auf Grundlage der abgeschätzten Verunreinigungsmenge realisiert werden. Ferner wird in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die Steuerung auf Grundlage der Annahme realisiert, dass als Verunreinigung lediglich Stickstoff berücksichtig wird. Alternativ kann zusätzlich zu der Stickstoffmenge die Wasserdampfmenge berücksichtigt werden. In diesem Fall kann die Wasserdampfmenge unter Verwendung eines Kennfelds des Abscheidungsverhältnisses eines Gas-Flüssigkeits-Abscheiders in dem Brennstoffzellensystem 50 und der Auslasstemperatur des Wasserstoffsystems oder dessen Ersatzwerts bestimmt werden.
-
Ferner wird in dem in 1 gezeigten Brennstoffzellensystem 50 der ausgelassene Wasserstoff nicht wiederverwendet (der Wasserstoff wird nicht zirkuliert). Jedoch kann die Abschätzung der Verunreinigungskonzentration auch in dem Brennstoffzellensystem durchgeführt werden, welches ein Wasserstoffzirkulationssystem aufweist (der ausgelassene Wasserstoff wird zirkulieren gelassen, um den unverbrauchten Wasserstoff wieder zu verwenden).
-
Ferner kann der zum Abschätzen der Verunreinigungskonzentration verwendete Wasserstoffsystemdruckobergrenzwert durch die nachstehende Gleichung (2) berechnet werden. Es ist vorzuziehen, dass die Gleichung (2) verwendet wird, wenn die Menge des permeierten Wasserstoffs relativ klein ist. Wasserstoffsystemdruckobergrenzwert
= Soll-Druckwert
+ (zugeführte Wasserstoffmenge – verbrauchte Wasserstoffmenge)
+ (maximal zulässige Stickstoffmenge – Stickstoffmenge (Anfangswert)) Gleichung (2)
-
Ferner kann anstelle des Abschätzens der Verunreinigungskonzentration auf Grundlage des Druckwerts, etwa des Wasserstoffsystemdruckobergrenzwerts die Verunreinigungsmenge auf Grundlage der Gasmenge in dem Wasserstoffsystem durch die folgende Gleichung (3) abgeschätzt werden. Gegenwärtige Stickstoffmenge
= (Wasserstoffsystemdruckwert – Soll-Druckwert)
+ Stickstoffmenge (Anfangswert)
– (zugeführte Wasserstoffmenge – verbrauchte Wasserstoffmenge – integrierter Wert der Menge des permeierten Wasserstoffs) Gleichung (3)
-
In diesem Fall vergleicht die ECU 10 die durch die Gleichung (3) bestimmte „Stickstoffmenge” mit der „maximal zulässigen Stickstoffmenge”, um die Zufuhr/das Auslassen des Gases in dem Wasserstoffsystem zu steuern.
-
Ferner wird in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die Menge des permeierten Wasserstoffs auf Grundlage des Kennfelds bestimmt. Alternativ kann die Menge des permeierten Wasserstoffs unter Verwendung des „repräsentativen Werts” berechnet werden. Da es in diesem Fall nicht nötig ist, verschiedene Parameter zum Berechnen der Menge des permeierten Wasserstoffs zu erhalten wird die Verarbeitungszeit kürzer. Jedoch kann die Berechnungsgenauigkeit schlechter sein.
-
Ferner wird bei der in 2 gezeigten Steuerung selbst in dem Fall, in dem in Schritt S17 bestimmt wurde, dass der Druckwert in dem Wasserstoffsystem größer als der Wasserstoffsystemdruckobergrenzwert ist, d. h. dass die abgeschätzte Verunreinigungskonzentration höher als die vorbestimmte Konzentration ist, wenn in Schritt S18 bestimmt wurde, dass es möglich ist, den Wasserstoffzuführdruck als ein Ergebnis des Vergleichs des Druckwerts in dem Wasserstoffsystem mit dem maximal zulässigen Wasserstoffsystemdruck zu erhöhen, der Wasserstoffzuführdruck verringert, ohne das Auslassventil 8 in Schritt S19 zu öffnen. Alternativ kann, anstelle die Schritte S18 und S19 durchzuführen, der Prozess immer zu Schritt S20 vorschreiten, um das Auslassventil 8 zum Auslassen des die Verunreinigungen enthaltenden Gases in dem Wasserstoffsystem zu öffnen, falls die abgeschätzte Verunreinigungskonzentration höher als die vorbestimmte Konzentration ist.
-
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 2003-168467 [0004, 0005, 0005]
- JP 2002-289237 [0004, 0005, 0005]