DE112008002292T5

DE112008002292T5 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern einer Reaktionsgaszuführmenge

Info

Publication number: DE112008002292T5
Application number: DE112008002292T
Authority: DE
Inventors: Norimasa Toyota-shi Ishikawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-09-19
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2010-07-15
Also published as: US20100209796A1; CN101803093B; CN101803093A; JP2009076264A; WO2009037969A1; JP4288625B2

Abstract

Brennstoffzellensystem umfassend eine Brennstoffzelle, welche elektrische Leistung aufgrund einer elektrochemischen Reaktion eines Reaktionsgases nach Zuführen des Reaktionsgases erzeugt, aufweisend:
einen Zuführ-/Auslassmechanismus, welcher das Reaktionsgas zuführt und ablässt;
einen Drucksensor, welcher einen Druck des Reaktionsgases im Zuführ-/Auslassmechanismus erfasst;
einen Umgebungsdrucksensor, welcher einen Umgebungsdruck erfasst;
eine Korrektureinrichtung, welche einen Erfassungswert korrigiert, der durch den Umgebungsdrucksensor erfasst wird; und
eine Steuereinrichtung, welche eine Zuführmenge des Reaktionsgases bezüglich der Brennstoffzelle unter Verwendung des Erfassungswertes, der durch den Drucksensor erfasst wird, und eines Korrekturwertes, der durch eine Korrektur durch die Korrektureinrichtung erhalten wird, steuert.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern einer Reaktionsgaszuführmenge.
Hintergrund der Erfindung
Ein Brennstoffzellensystem verwendet eine Brennstoffzelle als Energiequelle bzw. Leistungsquelle, welche elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion eines Brenngases mit einem Oxidationsgas, das als Reaktionsgas dient, erzeugt. Um die Brennstoffzelle effizient zu betreiben, muss eine Menge von jedem der Reaktionsgase, die der Brennstoffzelle zuzuführen sind, gesteuert werden, um auf verschiedene Situationen zu reagieren. Ein Beispiel einer Technik zum Steuern einer Reaktionsgaszuführmenge ist die Technik in welcher: eine Leitung zum Zuführen eines Reaktionsgases zu einer Brennstoffzelle mit einem Drucksensor vorgesehen ist; und die Reaktionsgaszuführmenge basierend auf einem Wert gesteuert wird, der durch den Drucksensor erfasst wird (siehe z. B. Patentdokument 1).

Patentdokument 1: Japanische Offenlegungsschrift mit der Veröffentlichungsnummer: 2004-342475 .

Offenbarung der Erfindung
Das durch die Erfindung zu lösende Problem
Die Herstellung von Absolutdrucksensoren, welche als Drucksensoren verwendet werden, ist Zeit- und Leistungsaufwändig. Daher kann die Anzahl der Herstellungsschritte durch Verwenden eines Gate-Drucksensors bzw. Relativdrucksensors als Drucksensor, welcher einfacher als ein Absolutdrucksensor herzustellen ist, weiter reduziert werden. Wenn jedoch der Gate-Drucksensor bzw. Relativdrucksensor verwendet wird, ist ein Umgebungsdruck einem Relativdrucksensor hinzuzufügen, der durch diesen Sensor erfasst wird, um in einen Absolutdruck umgewandelt zu werden. Gemäß diesem Fall wird ein separater Umgebungsdrucksensor zum Messen eines Umgebungsdrucks benötigt.
Wenn im Umgebungsdrucksensor aufgrund eines Bruchs, eines Kurzschlusses, etc. eine Fehlfunktion verursacht wird, hat ein Absolutdruck, der unter Verwendung eines Wertes berechnet wird, der durch den Umgebungsdrucksensor erfasst wird, einen Wert, der sich von einem tatsächlichen Absolutdruck unterscheidet. Das heißt, in diesem Fall kann die Menge eines Reaktionsgases, das einer Brennstoffzelle hinzuzuführen ist, nicht effizient gesteuert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die obenstehend beschriebenen Probleme des Standes der Technik zu lösen, und ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern einer Reaktionsgaszuführmenge vorzusehen, durch welche die Reaktionsgaszuführmenge effizient unter Reduzierung des benötigten Aufwands gesteuert wird.
Mittel zum Lösen des Problems
Um das obenstehend beschriebene Problem zu lösen, sieht die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem vor, umfassend eine Brennstoffzelle, welche elektrische Leistung aufgrund einer elektrochemischen Reaktion eines Reaktionsgases nach Zuführen des Reaktionsgases erzeugt, umfassend: einen Zuführ-/Auslassmechanismus, welcher das Reaktionsgas zuführt und ablässt; einen Drucksensor, welcher einen Druck des Reaktionsgases im Zuführ-/Auslassmechanismus erfasst; einen Umgebungsdrucksensor, welcher einen Umgebungsdruck erfasst; eine Korrektureinrichtung, welche einen Erfassungswert korrigiert, der durch den Umgebungsdrucksensor erfasst wird; und eine Steuereinrichtung, welche eine Zuführmenge des Reaktionsgases bezüglich der Brennstoffzelle unter Verwendung des Erfassungswertes, der durch den Drucksensor erfasst wird, und eines Korrekturwertes, der durch eine Korrektur durch die Korrektureinrichtung erhalten wird, steuert.
Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Steuern einer Reaktionsgaszuführmenge bezüglich einer Brennstoffzelle vor, welche elektrische Leistung aufgrund einer elektrochemischen Reaktion eines Reaktionsgases nach Zuführen eines Reaktionsgases erzeugt, umfassend: einen Druckerfassungsschritt zum Erfassen eines Druckes des Reaktionsgases in einem Zufuhr-/Auslassmechanismus, welcher das Reaktionsgas zuführt und ablässt; einen Umgebungsdruckerfassungsschritt zum Erfassen eines Umgebungsdruckes; einen Korrekturschritt zum Korrigieren eines Erfassungswertes, der im Umgebungsdruckerfassungsschritt erfasst wird; und ein Steuerschritt zum Steuern der Reaktionsgaszuführmenge bezüglich der Brennstoffzelle, unter Verwendung des Erfassungswertes, der im Druckerfassungsschritt erfasst wird, und des Korrekturwertes, der durch eine Korrektur im Korrekturschritt erhalten wird.
Gemäß der Erfindung wird der Wert, der durch den Umgebungsdrucksensor erfasst wird, durch die Korrektureinrichtung korrigiert, und die Reaktionsgaszuführmenge bezüglich der Brennstoffzelle kann unter Verwendung des resultierenden Korrekturwertes und des Druckwertes des Reaktionsgases im Zuführ-/Auslassmechnismus gesteuert werden. Demgemäß kann ein Gate-Drucksensor bzw. Relativdrucksensor als der Drucksensor verwendet werden. Zudem, selbst wenn der Umgebungsdrucksensor einen Wert ausgibt, der sich vom tatsächlichen Umgebungsdruck aufgrund einer Fehlfunktion, etc. unterscheidet, kann der Ausgangswert korrigiert werden. Somit kann die Reaktionsgaszuführmenge unter Reduzierung des benötigten Aufwands effizient gesteuert werden.
Im obenstehenden Brennstoffzellensystem kann die Korrektureinrichtung den Erfassungswert, der durch den Umgebungsdrucksensor erfasst wird, durch Übermitteln bzw. Durchgeben des Erfassungswertes durch einen Tiefpassfilter korrigieren.
Mit einer solchen Konfiguration kann der Veränderungsgrad verringert werden, selbst wenn sich, zum Beispiel, der Erfassungswert aufgrund einer Fehlfunktion, etc. schnell verändert, wodurch eine schnelle Veränderung der Reaktionsgaszuführmenge verhindert wird.
Im obenstehenden Brennstoffzellensystem kann die Korrektureinrichtung einen oberen Grenzwert bzw. eine obere Grenze und einen unteren Grenzwert bzw. eine untere Grenze für den Korrekturwert vorsehen.
Mit einer solchen Konfiguration kann der Ausgangswert so korrigiert werden, dass er in den Bereich von der eingestellten oberen Grenze bis zur eingestellten unteren Grenze fällt, selbst wenn zum Beispiel aufgrund einer Fehlfunktion, etc. ein unmöglicher Wert für einen tatsächlichen Umgebungsdruck ausgegeben wird.
Im obenstehenden Brennstoffzellensystem kann die Korrektureinrichtung eine Korrektur durch Austauschen eines vorliegenden Austauschwertes für den Erfassungswert durchführen, wenn der Erfassungswert, der durch den Umgebungsdrucksensor erfasst wird, nicht in einen vorbestimmten Bereich fällt.
Mit einer solchen Konfiguration kann ein Austauschwert mit dem Erfassungswert ausgetauscht werden, wenn, zum Beispiel, der Erfassungswert aufgrund einer Fehlfunktion, etc. des Umgebungsdrucksensors nicht in einen vorbestimmten Bereich fällt. Daher kann ein Austauschwert, der einen Standartumgebungsdruck anzeigt bzw. für einen Standartumgebungsdruck steht, den Erfassungswert ersetzten, selbst wenn ein Wert, der sich komplett vom tatsächlichen Umgebungsdruck unterscheidet, aufgrund einer Fehlfunktion, etc. des Umgebungsdrucksensors ausgegeben wird.
Im obenstehenden Brennstoffzellensystem kann die Korrektureinrichtung einen Austausch des Austauschwertes für den Erfassungswert starten, wenn der Zustand, in dem der Erfassungswert, der durch den Umgebungsdrucksensor erfasst wird, nicht in einen vorbestimmten Bereich fällt, für eine vorbestimmte Zeit bzw. Zeitdauer fortgeschritten ist.
Mit einer solchen Konfiguration kann der Austausch des Austauschwertes so beschränkt werden, dass er nicht auszuführen ist, wenn der Umgebungsdrucksensor temporär einen Erfassungswert ausgibt, der aufgrund eines Faktors, der nicht eine Fehlfunktion ist, nicht in den vorbestimmten Bereich fällt.
Im obenstehenden Brennstoffzellensystem, nachdem der Austausch des Austauschwertes für den Erfassungswert begonnen hat, kann die Korrektureinrichtung den Austausch des Austauschwertes für den Erfassungswert beenden, wenn der Erfassungswert, der durch den Umgebungsdrucksensor erfasst wird, für eine vorbestimmte Zeit in einen vorbestimmten Bereich fällt.
Mit einer solchen Konfiguration kann die Steuerung durch Verwenden des Wertes, der durch den Umgebungsdrucksensor erfasst wird, selbst nachdem der Austausch des Austauschwertes für den Erfassungswert begonnen hat, wenn sich der Umgebungsdrucksensor wieder in einem Normalzustand befindet, ausgeführt werden.
Auswirkung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Reaktionsgaszuführmenge unter Reduzierung des benötigten Aufwands effizient gesteuert werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 zeigt ein Konfigurationsdiagramm, das ein Brennstoffzellensystem einer Ausführungsform schematisch illustriert.
2 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Umgebungsdruckerfassungswert und einem Umgebungsdruckkorrekturwert illustriert.
3 zeigt ein Flussdiagramm, das den Prozessablauf zum Steuern einer Reaktionsgaszuführmenge bezüglich einer Brennstoffzelle im Brennstoffzellensystem, das in 1 dargestellt ist, erklärt.

1: Brennstoffzellensystem
2: Brennstoffzelle
3: Oxidationsgasleitungssystem
4: Wasserstoffgasleitungssystem
5: Steuereinheit
30: Filter
31: Kompressor
32: Luftzuführdurchflussweg
33: Luftauslassdurchflussweg
34: Gegendruckregelventil
35: Befeuchter
40: Wasserstofftank
41: Wasserstoffzuführdurchflussweg
42: Zirkulationsdurchflussweg
43: Haupt-Stoppventil
44 und 45: Regler
46 und 47: Abschaltventile
48: Wasserstoffpumpe
49: Gas-Flüssigkeit-Separator
50: Abgas-/Abflussventil
51: Auslassdurchflussweg
52: Verdünner
P1 und P2: Drucksensoren
P3: Umgebungsdrucksensor

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems und eines Verfahrens zum Steuern einer Reaktionsgaszuführmenge gemäß der vorliegenden Erfindung wird untenstehend bezüglich der beigefügten Figuren beschrieben. In dieser Ausführungsform wird der Verwendungsfall des Brennstoffzellensystems der Erfindung als ein Elektrische-Leistung-Erzeugungssystem beschrieben, das auf einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug (BZHF bzw. engl. FCHV) montiert ist.
In dem Brennstoffzellensystem dieser Ausführung erfasst der Relativdrucksensor den Druck eines Reaktionsgases in einem Zuführ-/Auslassdurchflussweg zum Zuführen oder Auslassen des Reaktionsgases, wobei ein Absolutdruck unter Verwendung des Wertes, der durch diesen Relativdrucksensor erfasst wird, und den Wert, der durch Korrigieren des Wertes, der durch einen Umgebungsdrucksensor erfasst wird, berechnet wird. Eine Menge des Reaktionsgases, dass einer Brennstofzelle zuzuführen ist, wird dann basierend auf dem Absolutdruck gesteuert.
Zuerst wird die Konfiguration des Brennstoffzellensystems in dieser Ausführungsform bezüglich 1 beschrieben. 1 zeigt ein Konfigurationsdiagramm, das das Brennstoffzellensystem in dieser Ausführungsform schematisch illustriert.
Wie in der Figur dargestellt, umfasst ein Brennstoffzellensystem 1: Eine Brennstoffzelle 2, welche elektrische Leistung aufgrund einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem Oxidationsgas und einem Brenngas, welches als Reaktionsgas dient, erzeugt; ein Oxidationsgasleitungssystem 3 (Zuführ-/Auslassmechanismus), welches Luft zuführt, die als das Oxidationsgas in der Brennstoffzelle 2 dient; ein Wasserstoffgasleitungssystem 4, welches Wasserstoff zuführt, der als Brenngas in der Brennstoffzelle 2 dient; und eine Steuereinheit 5, welche das gesamte System steuert.
Die Brennstoffzelle 2 besteht aus einer Stapelstruktur einer Mehrzahl von gestapelten Einheitszellen, von denen jede nach dem Zuführen des Reaktionsgases elektrische Leistung erzeugt. Die Spannung eines Teils der Gleichstromleistung, die durch die Brennstoffzelle 2 erzeugt wird, wird durch einen DC/DC-Wandler (nicht dargestellt) vermindert und anschließend zum Laden einer Zweitbatterie (nicht dargestellt), welche als eine Batterie dient, verwendet.
Das Oxidationsgasleitungssystem 3 umfasst: einen Kompressor 31 (Oxidationgaszuführquelle) zum komprimieren von Luft, die durch einen Filter 30 eingebracht wird, und weiterleiten dieser komprimierten Luft, die als Oxidationsgas dient; einen Luftzuführdurchflussweg 32 zum Zuführen des Oxidationsgases zur Brennstoffzelle 2; und einen Luftauslassdurchflussweg 33 zum Auslassen eines Oxidationsabgases, das von der Brennstoffzelle 2 ausgelassen wird. Der Luftzuführdurchflussweg 32 und der Luftauslassdurchflussweg 33 sind mit einem Befeuchter 35 zum Befeuchten des Oxidationsgases vorgesehen, das vorn Kompressor 31 unter Verwendung des Oxidationsabgases, das von der Brennstoffzelle 2 durch ein Gegendruckregelventil 34 ausgelassen wird, gepumpt wird. Das Oxidationsabgas, welches für einen Wasseraustausch, etc. im Befeuchter 35 vorgesehen worden ist, wird eventuell als Abgasluft in die Umgebungsluft des Systems abgelassen. Auf der Stromaufwärtsseite des Gegendruckregelventils 34 ist ein Drucksensor P1 zum Erfassen des Druckes des Oxidationsgases im Oxidationsgasleitungssystem 3 vorgesehen. Der Drucksensor P1 ist ein Relativdrucksensor. Relativdrucksensoren sind Drucksensoren, die im Vergleich zu Absolutdrucksensoren einfach herzustellen sind.
Das Wasserstoffgasleitungssytem 4 umfasst: einen Wasserstofftank 40, der als Krafstoffzuführquelle dient, die Wasserstoffgas bei einem hohen Druck (z. B. 70 MPa) speichert; einen Wasserstoffzuführdurchflussweg 41, der als ein Kraftstoffzuführdurchflussweg zum Zuführen des Wasserstoffgases im Wasserstofftank 40 zur Brennstoffzelle 2 dient; und einen Zirkulationsdurchflussweg 42 zum Rückführen eines Wasserstoffabgases, das von der Brennstoffzelle 2 in den Wasserstoffzuführdurchflussweg 41 ausgelassen wird. Dabei ist zu beachten, dass das Wasserstoffgasleitungssystem 4 eine Ausführungsform eines Kraftstoffzuführsystems der Erfindung ist. Anstelle des Wasserstofftanks 40 in dieser Ausführungsform kann z. B. auch ein Reformer zum reformieren, unter Verwendung von Wasserdampf, von Kohlenwasserstoffkraftstoff in ein wasserstoffangereichertes Brenngas, und ein Hochdruckgastank, welcher das Brenngas, das durch den Reformer reformiert wird, in einen Hochdruckzustand zur Drucksteigerung bzw. Druckansammlung bringt, als die Kraftstoffzuführquelle vorgesehen sein. Außerdem kann ein Tank, der eine wasserstoffabsorbierende Legierung umfasst, als die Kraftstoffzuführquelle bereitgestellt sein.
Der Wasserstoffzuführdurchflussweg 41 ist vorgesehen mit: einem Haupt-Stoppventil 43 zum Unterbrechen oder Erlauben von Zuführen von Wasserstoffgas vom Wasserstofftank 40; Reglern 44 und 45 zum Regeln des Druckes von Wasserstoffgas auf einen voreingestellten Zweitdruck bzw. Hilfsdruck; und einem Abschaltventil 46 zum Unterbrechen oder Erlauben von Zuführen von Wasserstoffgas von dem Wasserstoffzuführdurchflussweg 41 zu der Brennstoffzelle 2. Außerdem ist auf der Stromabwärtsseite des Reglers 45 ein Drucksensor P2 zum Erfassen des Druckes des Wasserstoffgases im Wasserstoffgasleitungssystem 4 vorgesehen. Der Drucksensor P2 ist ein Relativdrucksensor.
Der Zirkulationsdurchflussweg 42 ist vorgesehen mit: einem Abschaltventil 47 zum Unterbrechen oder Erlauben des Durchflusses von Wasserstoffabgas von der Brennstoffzelle 2 zum Zirkulationsdurchflussweg 42; und einer Wasserstoffpumpe 48 zum Komprimieren bzw. Druckbeaufschlagen des Wasserstoffabgases im Zirkulationsdurchflussweg 42 und Weiterleiten des resultierenden Wasserstoffabgases in den Wasserstoffzuführdurchflussweg 41. Mit dem Zirkulationsweg 42 ist außerdem ein Auslassdurchflussweg 51 durch einen Gas-Flüssigkeit-Separator 49 und ein Auslass-/Ausflussventil 50 verbunden. Der Gas-Flüssigkeit-Separator 49 sammelt Wasser vom Wasserstoffabgas. Das Auslass-/Ausflussventil 50 lässt das Wasser (spült), das durch den Gas-Flüssigkeit-Separator 49 gesammelt wird, und das Wasserstoffabgas, das Unreinheiten enthält, in den Zirkulationsdurchflussweg 42 aus. Das Wasserstoffabgas, das vom Auslass-/Ausflussventil 50 ausgelassen wird, wird durch einen Verdünner 52 verdünnt, um sich mit dem Oxidationsabgas im Luftauslassdurchflussweg 33 zu vermischen.
Die Steuereinheit 5 erfasst die Betriebsmenge bzw. den Betriebswert einer Beschleunigungsbetriebseinheit (Beschleuniger bzw. Gaspedal, etc.), die an einem Brennstoffzellenfahrzeug vorgesehen ist, und steuert den Betrieb von verschiedenen Vorrichtungen in dem System nach der Aufnahme von Steuerinformationen wie zum Beispiel einem beschleunigungsbenötigten Wert (z. B. eine Menge bzw. ein Wert einer erzeugten elektrischen Leistung, die von einer leistungsverbrauchenden Vorrichtung wie zum Beispiel einem Traktionsmotor benötigt wird). Dabei ist zu beachten, dass Leistungsverbrauchende Vorrichtungen nicht nur den Traktionsmotor umfassen sondern auch Hilfsgeräte (z. B. Motoren für den Kompressor 31 und die Wasserstoffpumpe 48, etc.), die zum Betreiben bzw. für den Betrieb der Brennstoffzelle 2 notwendig sind, Aktoren, die in verschiedenen Vorrichtungen zum Fahren des Fahrzeuges verwendet werden (ein Schalthebel, Radsteuervorrichtung, Lenkvorrichtungen, Fahrwerkvorrichtung, etc.), eine Luftaufbereitungsvorrichtung (Klimaanlage) für eine Fahrgastzelle, eine Beleuchtung, Audiogeräte, etc.
Basierend auf einem Wert, erfasst durch einen Umgebungsdrucksensor P3 zum Messen eines Umgebungsdrucks (hiernach als Umgebungsdruckerfassungswert bezeichnet), gibt die Steuereinheit 5 einen Korrekturwert aus (hiernach als Umgebungsdruckkorrekturwert bezeichnet). Die Steuereinheit 5 berechnet einen Absolutdruckwert durch Addieren des Umgebungsdruckkorrekturwerts auf einen Wert, der durch Umwandeln des Wertes, der durch den Drucksensor P1 oder P2 erfasst wird (hiernach als Druckerfassungswert bezeichnet), in einen Referenzdruck (hiernach als Referenzdruckwert bezeichnet), erhalten wird. Die Steuereinheit 5 verwendet diesen Absolutdruck, um die Zuführmenge des Oxidationsgases oder des Wasserstoffgases, das der Brennstoffzelle 2 zuzuführen ist, zu steuern. Der Umgebungsdrucksenor P3 wird z. B. in einem Motorraum angebracht.
Die Beziehung zwischen dem Umgebungsdruckerfassungswert und dem Umgebungsdruckkorrekturwert wird speziell bezüglich 2 beschrieben. Die Steuereinheit 5 wandelt den Umgebungsdruckerfassungswert [V], der durch den Umgebungsdrucksensor P3 erfasst wird, in einen Umgebungsdruckwert [kPa.abs] um, und leitet den Umgebungsdruckwert [kPa.abs] anschließend durch einen Tiefpassfilter weiter, um den Umgebungsdruckkorrekturwert [kPa.abs] auszugeben. In 2 zeigt A einen Umgebungsdruckerfassungswert an und B einen Umgebungsdruckkorrekturwert.
Die Steuereinheit 5 beurteilt, ob der Zustand, in dem sich der Umgebungsdruckerfassungswert A nicht in einem Bereich von einem ersten Grenzwert zu einem zweiten Grenzwert (z. B. 0,6 V bis 4,48 V) befindet, nicht länger als z. B. 50 ms fortgeschritten ist oder nicht. Falls der Zustand nicht länger als 50 ms fortgeschritten ist, startet die Steuereinheit 5 mit einem Austauschwertausgabeprozessablauf. Der Austauschwertausgabeprozessablauf betrifft einen Prozessablauf, bei dem ein Standardumgebungsdruck, 101,3 kPa.abs, als ein Austauschwert ausgegeben wird, welcher als der Umgebungsdruckkorrekturwert B dient. Ts, dargestellt in 2, stellt eine Dauer bzw. Periode dar, während welcher 50 ms vergehen, nachdem der Umgebungsdruckerfassungswert A einen Wert von weniger als 0,6 V erreicht. Nachdem diese Dauer Ts vergangen ist, wird 101,3 kPa.abs ausgegeben, um als der Umgebungsdruckkorrekturwert B zu dienen.
Nach Beginn des Austauschwertausgabeprozessablaufs beurteilt die Steuereinheit 5, ob der Zustand, in dem der Umgebungsdruckerfassungswert A in den Bereich von dem ersten Grenzwert zu dem zweiten Grenzwert (z. B. 0,6 V bis 4,48 V) fällt, für z. B. 6000 ms oder länger fortgeschritten ist oder nicht. Falls der Zustand für 6000 ms oder länger fortgeschritten ist, beendet die Steuereinheit 5 den Austauschwertausgabeprozessablauf und gibt den Umgebungsdruckkorrekturwert B unter normalen Bedingungen bzw. in einem Normalzustand aus. Te, dargestellt in 2, stellt eine Dauer bzw. eine Periode dar, während welcher 6000 ms vergehen, nachdem der Umgebungsdruckerfassungswert A in den Bereich von 0,6 V bis 4,48 V gefallen ist. Nachdem diese Dauer Te vergangen ist, wird ein Normalumgebungsdruckkorrekturwert, welcher durch Wandeln des Umgebungsdruckerfassungswertes A in einen Umgebungsdruckwert und Weiterleiten des Umgebungsdruckwertes durch den Tiefpassfilter berechnet wird, als der Umgebungsdruckkorrekturwert B ausgegeben.
Hierbei umfasst die Steuereinheit 5 z. B. eine CPU, ein ROM oder eine HDD zum Speichern eines Steuerprogramms oder Steuerdaten, die in der CPU verarbeitet werden, ein RAM, das als Bereich für verschiedene Operationen bzw. Betriebe hauptsächlich für Steuerprozesse verwendet wird, und eine Eingabe-Ausgabe Schnittstelle. Diese Elemente werden miteinander über Busse verbunden. Verbunden mit der Eingabe-Ausgabe Schnittstelle sind nicht nur verschiedene Sensoren, wie die Drucksensoren P1 und P2 und der Umgebungsdrucksensor P3, sondern auch verschiedene Antriebe zum Antreiben bzw. Betreiben des Kompressors 31, des Haupt-Stoppventils 43, der Abschaltventile 46 und 47, der Wasserstoffpumpe 48, des Auslass-/Ausflussventils 50, etc.
Die CPU empfängt bzw. nimmt die entsprechenden Ergebnisse auf, die durch die Drucksensoren P1 und P2 und den Umgebungsdrucksensor P3 über die Eingabe-Ausgabe Schnittstelle gemäß dem Steuerprogramm, das im RAM gespeichert ist, auf, und verarbeitet die Ergebnisse unter Verwendung verschiedener Daten, etc. im RAM weiter, und steuert dadurch die Menge von jedem der Reaktionsgase, die der Brennstoffzelle 2 zuzuführen sind. Außerdem gibt die CPU durch die Eingabe-Ausgabe Schnittstelle Steuersignale an die verschiedenen Antriebe aus, und steuert dadurch das gesamte Brennstoffzellensystem 1.
Als nächstes wird der Prozessablauf zum Steuern einer Reaktionsgaszuführmenge bezüglich einer Brennstoffzelle in dieser Ausführungsform unter Verwendung des Flussdiagrammes in 3 beschrieben. Dieser Prozessablauf zum Steuern einer Reaktionsgaszuführmenge ist ein Prozessablauf, der wiederholt durchgeführt wird, bis die Brennstoffzelle 2, nachdem sie gestartet wird, aufgrund eines Zwischenbetriebs gestoppt oder unterbrochen wird.
Zuerst liest die Steuereinheit 5 nach dem Start der Brennstoffzelle 2 bzw. nach dem Start des Betriebs der Brennstoffzelle 2 die entsprechenden Druckerfassungswerte [V], die durch die Drucksensoren P1 und P2 erfasst werden, und den Umgebungsdruckerfassungswert [V], der durch den Umgebungsdrucksensor P3 erfasst wird, von den relevanten Sensoren (Schritt S1).
Die Steuereinheit 5 beurteilt, ob der Zustand, in dem der Umgebungsdruckwert nicht in den Bereich von 0,6 V bis 4,48 V fällt, für 50 ms oder länger fortgeschritten ist oder nicht, basierend auf dem Umgebungsdruckerfassungswert, der in dem obenstehenden Schritt S1 (Schritt S2) gelesen wird. Falls das Ergebnis der Beurteilung NEIN ist (Schritt S2; NEIN), gibt die Steuereinheit 5 den Umgebungsdruckkorrekturwert [kPa.abs] durch Wandeln des Umgebungsdruckerfassungswertes [V] in einen Umgebungsdruckwert [kPa.abs] und Weiterleiten des Umgebungsdruckwertes [kPa.abs] durch den Tiefpassfilter aus (Schritt S3).
Anschließend wandelt die Steuereinheit 5 die entsprechenden Druckerfassungswerte [V], die in Schritt S1 gelesen werden, in Referenzdruckwerte [kPa.G], und addiert den Umgebungsdruckkorrekturwert [kPa.abs] auf jeden der Referenzdruckwerte, um die Absolutdrücke [kPa.abs] der entsprechenden Reaktionsgase im Oxidationsgasleitungssystem 3 und dem Wasserstoffgasleitungssystem 4 zu berechnen. Die Steuereinheit 5 steuert dann die Zuführmenge von jedem der Reaktionsgase bezüglich der Brennstoffzelle 2 basierend auf diesen Absolutdrücken (Schritt S4). Die Steuereinheit 5 schreitet dann wie untenstehend beschrieben zu Schritt S1 voran.
Andererseits, falls das Ergebnis der Beurteilung in Schritt S2 ist, dass der obenstehende Zustand für 50 ms oder länger fortgeschritten ist (Schritt S2; JA), gibt die Steuereinheit 5 101,3 kPa.abs als den Austauschwert aus, welcher als der Umgebungsdruckkorrekturwert dient (Schritt S5).
Die Steuereinheit 5 wandelt nachfolgend die Druckerfassungswerte [V], die von den entsprechenden Sensoren gelesen werden, in Referenzdruckwerte [kPa.G] um, und addiert 101,3 kPa.abs, was als Umgebungsdruckkorrekturwert dient, auf jeden der Referenzdruckwerte, wodurch die entsprechenden Absolutdrücke [kPa.abs] im Oxidationsgasleitungssystem 3 und dem Wasserstoffgasleitungssystem 4 berechnet werden. Die Steuereinheit 5 steuert dann basierend auf diesen Absolutdrücken die Zuführmenge von jedem der Reaktionsgase bezüglich der Brennstoffzelle 2 (Schritt S6).
Die Steuereinheit 5 liest anschließend die Druckerfassungswerte [V], die durch die Drucksensoren P1 und P2 erfasst werden, und den Umgebungsdruckerfassungswert [V], der durch den Umgebungsdrucksensor P3 erfasst wird, von den relevanten bzw. entsprechenden Sensoren (Schritt S7).
Die Steuereinheit 5 beurteilt anschließend, ob der Zustand, in dem der Umgebungserfassungswert in den Bereich von 0,6 V bis 4,48 V fällt, für 6000 ms oder länger fortgeschritten ist oder nicht basierend auf dem Umgebungsdruckerfassungswert, der obenstehend in Schritt S7 gelesen wird (Schritt S8). Falls das Ergebnis dieser Beurteilung NEIN ist (Schritt S8; NEIN), schreitet die Steuereinheit 5 zu Schritt S5, wie obenstehend beschrieben, voran.
Andererseits, falls das Ergebnis der Beurteilung in Schritt S8 obenstehend das ist, das der obenstehende Zustand für 6000 ms oder länger fortgeschritten ist (Schritt S8; JA), schreitet die Steuereinheit 5 zu Schritt S3, wie obenstehend beschrieben, voran.
Wie obenstehend beschrieben, wird der Umgebungsdruckerfassungswert, der durch den Umgebungsdrucksensor P3 erfasst wird, gemäß dem Brennstoffzellensystem 1 in dieser Ausführungsform korrigiert, und die Zuführmengen der entsprechenden Reaktionsgase bezüglich der Brennstoffzelle 2 können unter Verwendung des Umgebungsdruckkorrekturwertes, der durch Korrigieren erhalten wird, und der Druckwerte der entsprechenden Reaktionsgase im Oxidationsgasleitungssystem 3 und dem Wasserstoffgasleitungssystem 4, gesteuert werden. Demgemäß können die Referenzdrucksensoren P1 und P2, welche im Vergleich zu Absolutdrucksensoren einfach hergestellt werden können, als Drucksensoren verwendet werden, und darüber hinaus, selbst wenn der Umgebungsdrucksensor P3 einen Wert ausgibt, der sich von einem tatsächlichen Umgebungsdruck aufgrund einer Fehlfunktion, etc. unterscheidet, der Ausgangswert korrigiert werden. Dadurch kann die Reaktionsgaszuführmenge unter Reduzierung des benötigten Aufwands effizient gesteuert werden.
Gemäß dem Brennstoffzellensystem 1 in dieser Ausführungsform, in dem der Umgebungsdruckerfassungswert, der durch den Umgebungsdrucksensor P3 erfasst wird, nicht in einen vorbestimmten Bereich (z. B. der Bereich von 0,6 V bis 4,48 V) fällt, kann ein Austauschwert (z. B. 101,3 kPa.abs) als der Umgebungsdruckkorrekturwert verwendet werden. Somit, selbst wenn der Umgebungsdrucksensor P3 einen Wert ausgibt, der sich vollständig von einem tatsächlichen Umgebungsdruck aufgrund einer Fehlfunktion, etc. unterscheidet, kann der Ausgabewert durch den Austauschwert, der einen Standardumgebungsdruck darstellt, ersetzt werden.
Gemäß dem Brennstoffzellensystem 1 in dieser Ausführungsform kann ein Austausch des Austauschwertes nur dann ausgeführt werden, wenn der Zustand, in den der Umgebungsdruckerfassungswert, der durch den Umgebungsdrucksensor P3 erfasst wird, nicht in einen vorbestimmten Bereich fällt (z. B. den Bereich von 0,6 V bis 4,48 V), für eine vorbestimmte Dauer (z. B. 50 ms) oder länger fortgeschritten ist. Demgemäß, wenn der Umgebungsdrucksensor P3 einen Erfassungswert ausgibt, der aufgrund eines Faktors, der nicht die Fehlfunktion ist, temporär nicht in den vorbestimmten Bereich fällt, kann der Austausch des Austauschwertes darauf beschränkt sein, nicht durchgeführt zu werden.
Gemäß dem Brennstoffzellensystem 1 in dieser Ausführungsform, in dem der Umgebungsdruckerfassungswert, der durch den Umgebungsdrucksensor P3 erfasst wird, für eine vorbestimmte Zeit (z. B. 6000 ms) in einen vorbestimmten Bereich (z. B. den Bereich von 0,6 V bis 4,48 V) fällt, nachdem der Austausch des Austauschwertes für den Umgebungsdruckerfassungswert begonnen hat, kann der Austausch des Austauschwertes für den Umgebungsdruckerfassungswert vervollständigt werden. Demgemäß, wenn sich der Umgebungsdrucksensor P3 wieder in einem Normalzustand befindet, kann eine Steuerung unter Verwendung des Wertes, der durch den Umgebungsdrucksensor P3 erfasst wird, ausgeführt werden.
In der obenstehend beschriebenen Ausführungsform wird beim Berechnen des Umgebungsdruckkorrekturwertes der Umgebungsdruckwert, der durch Umwandeln des Umgebungsdruckerfassungswertes erhalten wird, durch den Tiefpassfilter gegeben, wobei dieser Umgebungsdruckwert nicht immer durch den Tiefpassfilter gegeben bzw. übermittelt werden muss. Das Übermitteln des Umgebungsdruckwertes durch den Tiefpassfilter ermöglicht es jedoch, ein Rauschen, das im Umgebungsdruckerfassungswert enthalten ist, zu entfernen, und zudem den Veränderungsgrad zu verringern, selbst wenn sich der Umgebungsdruckerfassungswert schnell aufgrund einer Fehlfunktion etc. des Umgebungsdrucksensors verändert. Demgemäß kann verhindert werden, dass sich die Reaktionszuführmenge schnell verändert, wodurch die Effizienz der Steuerung der Reaktionsgaszuführmenge verbessert werden kann. Auch wenn der obenstehende Wert durch den Tiefpassfilter gegeben wird, ist eine Abschaltfrequenz für den Tiefpassfilter vorzugsweise niedrig eingestellt. Zum Beispiel, wenn eine Betriebsdauer für den Umgebungsdruckkorrekturwert 8,192 ms ist, kann die Frequenz, entsprechend welcher eine Referenzzeit 1998,848 ms (8,192 × 244) ist, als die Abschaltfrequenz eingestellt werden. Eine schnelle Veränderung des Umgebungsdruckerfassungswertes kann durch Einstellen einer niedrigeren Abschaltfrequenz weiter verringert werden.
Eine obere Grenze und eine untere Grenze können für den Umgebungsdruckkorrekturwert in der obenstehenden Ausführungsform eingestellt werden. Die obere Grenze und die untere Grenze sind vorzugsweise um die obere Grenze und die untere Grenze für einen möglichen Wert eines Umgebungsdruckes eingestellt. Zum Beispiel kann für die obere Grenze und die untere Grenze 110 kPa.abs bzw. 65 kPa.abs eingestellt werden. Demgemäß kann der Umgebungsdruckkorrekturwert, selbst wenn ein unmöglicher Wert eines Umgebungsdruckes aufgrund einer Fehlfunktion, etc. des Umgebungsdrucksensors P3 ausgegeben wird, dazu gebracht werden, in den Bereich möglicher Werte eines Umgebungsdruckes zu fallen.
In der obenstehenden Ausführungsform wird zum Starten oder Beenden eines Austauschwertausgabeprozessablaufs eine vorbestimmte Schaltdauer (50 ms oder 6000 ms) vorgesehen. Diese Schaltdauer kann jedoch beliebig eingestellt werden, und z. B. auf 0 ms eingestellt werden. Darüber hinaus wird der Bereich der Umgebungsdruckerfassungswerte als einer der Zustände zum Starten oder Beenden des Austauschwertausgabeprozessablaufs von 0,6 V bis 4,48 V eingestellt, wobei der Bereich der Umgebungsdruckerfassungswerte nicht auf den obenstehenden Bereich beschränkt ist, und beliebig eingestellt werden kann. Der Bereich der Umgebungsdruckerfassungswerte wird vorzugsweise im Bereich möglicher Werte eines Umgebungsdruckwertes eingestellt.
Obwohl die obenstehende Ausführungsform den Fall beschrieben hat, in dem das Brennstoffzellensystem der Erfindung auf einem Brennstoffzellensystemfahrzeug montiert ist, kann das Brennstoffzellensystem der Erfindung nicht nur bei Brennstoffzellenfahrzeugen Anwendung finden, sondern auch bei anderen verschiedenen mobilen Objekten bzw. Gegenständen (z. B. Robotern, Schiffen und Flugzeugen). Die Brennstoffzellensysteme der Erfindung können auch in stationären Leistungserzeugungssystemen Anwendung finden, die als Leistungserzeugungsvorrichtungen für Anlagen (z. B. Häuser und Gebäude) verwendet werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Das Brennstoffzellensystem und das Verfahren zum Steuern einer Reaktionsgaszuführmenge gemäß der vorliegenden Erfindung sind zum effizienten Steuern einer Reaktionsgaszuführmenge bezüglich einer Brennstoffzelle geeignet.
Zusammenfassung
Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern einer Reaktionsgaszuführmenge
Die Menge eines zuzuführenden Reaktionsgases kann unter Reduzierung des benötigten Aufwands effizient gesteuert werden. Eine Steuereinheit beurteilt, ob der Zustand, in dem ein Umgebungsdruckerfassungswert, der durch einen Umgebungsdrucksensor erfasst wird, nicht in den Bereich von 0,6 V bist 4,48 V fällt, für 50 ms oder länger fortgeschritten ist oder nicht. Falls der Zustand nicht für 50 ms oder länger fortgeschritten ist, gibt die Steuereinheit einen Umgebungsdruckkorrekuturwert durch Umwandeln des Umgebungsdruckerfassungswertes in einen Umgebungsdruckwert und anschließendes Durchgeben des Umgebungsdruckwertes durch einen Tiefpassfilter aus. Falls hingegen der Zustand für 50 ms oder länger fortgeschritten ist, gibt die Steuereinheit 101,3 kPa.abs aus, was als Austauschwert für den Umgebungsdruckkorrekturwert dient. Die Steuereinheit wandelt dann entsprechende Druckerfassungswerte, die durch Drucksensoren erfasst werden, in Referenzdruckwerte um, und addiert den Umgebungsdruckkorrekturwert auf jeden der Referenzdruckwerte, um die Absolutdrücke der entsprechenden Reaktionsgase in einem Oxidationsgasleitungssystem und einem Wasserstoffleitungssystem zu berechnen. Die Steuereinheit steuert die Zuführmenge von jedem der Reaktionsgase bezüglich einer Brennstoffzelle basierend auf diesen Absolutdrücken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2004-342475 [0002]

Claims

Brennstoffzellensystem umfassend eine Brennstoffzelle, welche elektrische Leistung aufgrund einer elektrochemischen Reaktion eines Reaktionsgases nach Zuführen des Reaktionsgases erzeugt, aufweisend: einen Zuführ-/Auslassmechanismus, welcher das Reaktionsgas zuführt und ablässt; einen Drucksensor, welcher einen Druck des Reaktionsgases im Zuführ-/Auslassmechanismus erfasst; einen Umgebungsdrucksensor, welcher einen Umgebungsdruck erfasst; eine Korrektureinrichtung, welche einen Erfassungswert korrigiert, der durch den Umgebungsdrucksensor erfasst wird; und eine Steuereinrichtung, welche eine Zuführmenge des Reaktionsgases bezüglich der Brennstoffzelle unter Verwendung des Erfassungswertes, der durch den Drucksensor erfasst wird, und eines Korrekturwertes, der durch eine Korrektur durch die Korrektureinrichtung erhalten wird, steuert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Korrektureinrichtung den Erfassungswert, der durch den Umgebungsdrucksensor erfasst wird, durch Durchgeben des Erfassungswertes durch einen Tiefpassfilter korrigiert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Korrektureinrichtung einen obere Grenze und eine unter Grenze des Korrekturwertes vorsieht.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Korrektureinrichtung eine Korrektur durch Austauschen eines voreingestellten Austauschwertes für den Erfassungswert durchführt, wenn der Erfassungswert, der durch den Umgebungsdrucksensor erfasst wird, nicht in einen vorbestimmten Bereich fällt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei die Korrektureinrichtung einen Austausch des Austauschwertes für den Erfassungswert startet, wenn ein Zustand, in dem der Erfassungswert, der durch den Umgebungsdrucksensor erfasst wird, nicht in einen vorbestimmten Bereich fällt, für eine vorbestimmte Zeit fortgeschritten ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei die Korrektureinrichtung den Austausch des Austauschwertes für den Erfassungswert beendet, wenn der Erfassungswert, der durch den Umgebungsdrucksensor erfasst wird, für eine vorbestimmte Zeit in einen vorbestimmten Bereich fällt, nachdem der Austausch des Austauschwertes für den Erfassungswert begonnen hat.
Verfahren zum Steuern einer Reaktionsgaszuführmenge bezüglich einer Brennstoffzelle, welche elektrische Leistung aufgrund einer elektrochemischen Reaktion eines Reaktionsgases nach Zuführen des Reaktionsgases erzeugt, aufweisend: einen Druckerfassungsschritt zum Erfassen eines Druckes des Reaktionsgases in einem Zuführ-/Auslassmechanismus, welcher das Reaktionsgas zuführt und ablässt; einen Umgebungsdruckerfassungsschritt zum Erfassen eines Umgebungsdruckes; einen Korrekturschritt zum Korrigieren eines Erfassungswertes, der im Umgebungsdruckerfassungsschritt erfasst wird; und ein Steuerschritt zum Steuern der Reaktionsgaszuführmenge bezüglich der Brennstoffzelle, unter Verwendung des Erfassungswertes, der im Druckerfassungsschritt erfasst wird, und des Korrekturwertes, der durch eine Korrektur im Korrekturschritt erhalten wird.