DE112007001874B4 - Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems (1), aufweisend: eine Brennstoffzelle (2); einen Versorgungsströmungskanal (22) zum Zuführen von Brenngas aus einer Brennstoffversorgungsquelle (21) zu der Brennstoffzelle; einen Injektor (28), der den Gaszustand auf der stromauf gelegenen Seite des Versorgungsströmungskanals zur Versorgung der stromab gelegenen Seite regelt, wobei der Injektor ein sich öffnendes und schließendes Ventil mit einem elektromagnetischem Antrieb ist, in welchem ein Ventilkörper während einer vorbestimmten Betätigungsperiode durch eine elektromagnetische Betätigungskraft betätigt und zur Regelung des Gaszustands von einem Ventilsitz abgehoben werden kann; einen Abführungsströmungskanal (25) zum Abführen von einem von der Brennstoffzelle abgegebenen Brenngasabgas; ein zur Abführung des Gases aus dem Abführungsströmungskanal nach außen geeignetes Abführventil (31); und Steuermittel (7) zum Schließen des Abführventils, wenn eine bei geöffnetem Abführventil und bei gestarteter Zufuhr von Spülgas durch den Injektor berechnete Abführmenge (Q) eine vorgegebene Zielabführmenge (Q0) überschreitet, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass gleichzeitig mit der Öffnung des Abführventils (31) die Abführmenge (Q) berechnet wird, indem: a) eine Durchflussmenge (Q1) berechnet wird, die einer Druckabnahme (ΔP) auf der stromab gelegenen Seite des Injektors aufgrund der Abführung des Gases über das Abführventil entspricht, b) eine Rückführungs-Korrekturdurchflussmenge zur Kompensation der Druckabnahme auf der stromab gelegenen Seite des Injektors berechnet wird, ...

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem.
  • Stand der Technik
  • Bisher wurde ein eine Brennstoffzelle zur Versorgung mit einem Reaktionsgas (ein Brenngas und ein Oxidationsgas) aufweisendes Brennstoffzellensystem zur Leistungserzeugung vorgeschlagen und praktisch angewandt. Wenn die Leistung erzeugt wird, sammeln sich mit der Zeit Verunreinigungen, wie Stickstoff und Kohlenmonoxid, in der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems und einem Kreislaufkanal für das Brennstoffabgas an. Um solche Verunreinigungen aus dem System abzuführen, wird eine Technologie (eine Abführungstechnologie) vorgeschlagen, bei der ein Gasabführventil in einem Ableitungskanal vorgesehen ist, der mit dem Kreislaufkanal verbunden ist, und das Öffnen/Schließen des Gasabführventils erfolgt jeweils nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit zur Abführung des Gases aus dem Kreislaufkanal.
  • Überdies wurden derzeit eine Technologie (japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. JP 2004-179000 A ) zur Durchführung einer Steuerung vorgeschlagen zum Schließen des Gasabführventils, falls der Durchfluß des Gases durch das Gasabführventil einen vorgegebenen Wert überschreitet, und eine Technologie (japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. JP 2005-141977 A ) zur Einstellung einer Abführzeitspanne entsprechend dem Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle, um eine Abführung des Gases einer Abführmenge zu realisieren, die gleich einer entsprechend dem Leistungserzeugungszustand geforderten Abführmenge ist.
  • Weitere Beispiele für Techniken zum Spülen von Brennstoffzellen oder der Steuerung der Abführung von Gas aus der Brennstoffzelle sind zudem Gegenstand der US 2006/0 051 632 A1 , der DE 10 2005 056 070 A1 , der WO 2005/078 845 A2 , der WO 2005/088 755 A1 und der JP 2005-141977 A .
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ein Brennstoffzellensystem ist mit einem Brennstoffversorgungsströmungskanal für die Strömung eines von einer Brennstoffversorgungsquelle, wie einem Wasserstofftank, der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs versehen. Zudem wird derzeit eine Technologie vorgeschlagen, bei der dieser Brennstoffversorgungsströmungskanal mit einer variablen Gasversorgungsvorrichtung, wie einem mechanischen, verstellbaren Regler zur Veränderung des Versorgungsdrucks des Brenngases aus der Brenngasversorgungsquelle entsprechend dem Betriebszustand des Systems, ausgebildet ist.
  • Überdies wurde in den zurückliegenden Jahren eine Technologie vorgeschlagen, bei der ein Injektor als die variable Gasversorgungsvorrichtung eingesetzt wird und bei der eine Spülmenge (eine Gasabführmenge) aus dem Gasabführventil auf der Basis der Gaszufuhr aus dem Injektor berechnet wird, um das Gasabführventil zu schließen, falls die berechnete Spülmenge einen vorgegebenen Schwellenwert (eine Zielspülmenge) überschreitet (was nachfolgend als „Injektor-Gasableitungs-Steuerung” bezeichnet wird). Bei der herkömmlichen Injektor-Gasableitungs-Steuerung, wie sie in den 9A und 9B gezeigt ist, wird ein Inkrement einer Gasabführmenge, das der Gaszufuhr aus dem Injektor zu einer bestimmten Zeit entspricht, berechnet, dieses Inkrement der Gasabführmenge wird zu dieser Zeit einer Gasabführmenge zuaddiert, um die Gesamtspülmenge zu berechnen, und das Abführventil wird geschlossen, falls diese Gesamtspülmenge die Zielspülmenge überschreitet.
  • Jedoch wird das Gasabführventil beim Start der Gaszufuhr (kritische Gaszufuhr) vom Injektor geschlossen, wenn diese konventionelle Injektor-Gasableitungs-Steuerung benutzt wird, wie sie in den 9A und 9C gezeigt ist, falls die berechnete Spülmenge die Zielspülmenge überschreitet. Daraus ergibt sich, daß in einem Falle, in dem die berechnete Spülmenge die Zielspülmenge überschreitet, ein Inkrement ΔQ einer Gasabführmenge nicht abgeführt wird, was zu dem Problem führt, daß eine aktuelle Gasabführmenge sich unterhalb der Zielgasabführmenge befindet (ein Gasabführfehler wird erzeugt), wie in 9B gezeigt.
  • Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf diese Situation entwickelt, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Gasabführfehler bei einem Brennstoffzellensystem zu unterdrücken, das eine variable Gasversorgungsvorrichtung und ein Abführventil besitzt und so gestaltet ist, daß das Abführventil geschlossen wird, falls die berechnete Abführmenge eine vorgegebene Zielabführmenge überschreitet. Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 1 sowie dem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2.
  • Um diese Aufgabe zu lösen, umfaßt ein erstes Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle; einen Versorgungsströmungskanal zum Zuführen von Brenngas aus einer Brennstoffversorgungsquelle zu der Brennstoffzelle; einen Injektor, der den Gaszustand auf der stromauf gelegenen Seite des Versorgungsströmungskanals zur Versorgung der stromab gelegenen Seite regelt, wobei der Injektor ein sich öffnendes und schließendes Ventil mit einem elektromagnetischem Antrieb ist, in welchem ein Ventilkörper während einer vorbestimmten Betätigungsperiode durch eine elektromagnetische Betätigungskraft betätigt und zur Regelung des Gaszustands von einem Ventilsitz abgehoben werden kann; einen Abführungsströmungskanal zum Abführen von einem von der Brennstoffzelle abgegebenen Brenngasabgas, ein zur Abführung des Gases aus dem Abführungsströmungskanal nach außen geeignetes Abführventil und Steuermittel zum Schließen des Abführventils, wenn eine bei geöffnetem Abführventil und bei gestarteter Zufuhr von Spülgas durch den Injektor berechnete Abführmenge eine vorgegebene Zielabführmenge überschreitet. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mit der Öffnung des Abführventils die Abführmenge berechnet wird, indem: eine Durchflussmenge berechnet wird, die einer Druckabnahme auf der stromab gelegenen Seite des Injektors aufgrund der Abführung des Gases über das Abführventil entspricht, eine Rückführungs-Korrekturdurchflussmenge zur Kompensation der Druckabnahme auf der stromab gelegenen Seite des Injektors berechnet wird, ein integrierter Wert der Rückführungs-Korrekturdurchflussmenge während der seit dem Start der Spülung verstrichenen Zeit berechnet wird, und die Durchflussmenge und der integrierte Wert der Rückführungs-Korrekturdurchflussmenge addiert werden, um die gesamte Abführmenge zu berechnen, und dass, falls die bei geöffnetem Abführventil und bei gestarteter Zufuhr von Spülgas durch den Injektor berechnete Abführmenge die vorgegebene Zielabführmenge überschreitet, das Abführventil geöffnet bleibt, bis die Zufuhr von Spülgas gestoppt wird, und gleichzeitig mit dem Stopp der Zufuhr von Spülgas von dem Injektor geschlossen wird
  • Falls eine solche Konstruktion angewandt wird und die während der Öffnung des Abführventils berechnete Abführmenge die vorgegebene Zielabführmenge überschreitet, kann das Abführventil gleichzeitig mit dem Stopp der Gaszufuhr geschlossen werden. Mit anderen Worten, falls die während der Öffnung des Abführventils berechnete Abführmenge die vorgegebene Zielabführmenge überschreitet, kann unter Berücksichtigung der Gasversorgung die Öffnung des Abführventils beibehalten werden. Deshalb ist es wegen der Gaszufuhr aus der variablen Gasversorgungsvorrichtung möglich, zu verhindern, daß die aktuelle Abführmenge unter die Zielabführmenge absinkt (ein Abführfehler). Es ist zu beachten, daß „der Gaszustand” der Zustand des Gases ist, der durch einen Durchfluß, einen Druck, eine Temperatur, eine Molkonzentration oder dergleichen repräsentiert wird, wobei vornehmlich wenigstens entweder der Durchfluß oder der Gasdruck eingeschlossen sind.
  • Bei den obigen Brennstoffzellensystemen ist es möglich, ein Steuermittel einzusetzen, das Abführmengenberechnungsmittel zur Berechnung der Abführmenge aus dem Abführventil auf der Basis der Integration der Änderung des Gasversorgungszustands der variablen Gasversorgungsvorrichtung bei Ablauf der Zeitspanne besitzt. In einem solchen Falle ist es möglich, das Abführmengenberechnungsmittel zur Aufaddierung eines der Druckänderung entsprechenden Durchflusses einzusetzen, der aus der Änderung des Drucks stromab von der variablen Gasversorgungsvorrichtung umgerechnet ist, und des integrierten Wertes eines Korrekturdurchflusses der Gasversorgung, der die Abnahme des Drucks stromab von der variablen Gasversorgungsvorrichtung bei Ablauf der Zeitspanne kompensiert, um die Abführmenge aus dem Abführventil zu berechnen.
  • Der Injektor ist ein sich öffnendes und schließendes Ventil der Bauart mit elektromagnetischem Antrieb, in welchem ein Ventilkörper während einer vorbestimmten Betätigungsperiode direkt durch eine elektromagnetische Betätigungskraft betätigt und zur Regelung des Gaszustands (der Gasdurchfluß oder der Gasdruck) von einem Ventilsitz abgehoben werden kann. Ein voreingestelltes Steuerteil kann den Ventilkörper des Injektors betätigen und den Ausblaszeitpunkt oder die Ausblaszeit des Brenngases steuern, um den Durchfluß oder den Druck des Brenngases zu steuern.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei dem die variable Gasversorgungsvorrichtung und das Abführventil einschließenden Brennstoffzellensystem, das so gestaltet ist, daß es das Abführventil in einem Falle schließt, in welchem die berechnete Abführmenge die vorgegebene Zielabführmenge überschreitet, der Abführfehler unterdrückt werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Schaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist ein Steuerungsblockschaltbild zur Erläuterung einer Steuerungsgestaltung eines Steuerteils des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems;
  • 3 ist ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung eines Betriebsverfahrens des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems;
  • 4 ist ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung eines Schritts zur Abschätzung der Abführmenge beim Betriebsverfahren des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems
  • 5A ist eine Zeittafel (die die Öffnungs-/Schließaktion eines Gas-/Wasserabführventils zeigt) zur Erläuterung des Betriebsverfahrens des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems;
  • 5B ist eine Zeittafel (die die Abführmenge des Gas-/Wasserabführventils zeigt) zur Erläuterung des Betriebsverfahrens des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems;
  • 5C ist eine Zeittafel (die die Abführmenge (Reinigungsmenge) des Gas-/Wasserabführventils zeigt) zur Erläuterung des Betriebsverfahrens des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems;
  • 5D ist eine Zeittafel (die die Abnahme des Drucks stromab von einem Injektor aufgrund der Abführung zeigt) zur Erläuterung des Betriebsverfahrens des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems;
  • 5E ist eine Zeittafel (die einen Rückführungs-Korrekturdurchfluß zur Kompensation des Druckabfalls stromab vom Injektor zeigt) zur Erläuterung des Betriebsverfahrens des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems;
  • 6A ist eine Zeittafel (die die Öffnungs-/Schließaktion eines Injektors zeigt) zur Erläuterung der Abführsteuerung des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems;
  • 6B ist eine Zeittafel (die eine berechnete Abführmenge und eine aktuelle Abführmenge zeigt) zur Erläuterung der Abführsteuerung des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems;
  • 6C ist eine Zeittafel (die die Öffnungs-/Schließaktion des Gas-/Wasserabführventils zeigt) zur Erläuterung der Abführsteuerung des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems;
  • 7 ist ein Schaltbild, das eine Abwandlung des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems zeigt;
  • 8A ist eine Zeittafel (die die Öffnungs-/Schließaktion des Injektors zeigt) zur Erläuterung eines weiteren Beispiels der Abführsteuerung des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems;
  • 8B ist eine Zeittafel (die eine berechnete Abführmenge und eine aktuelle Abführmenge zeigt) zur Erläuterung eines weiteren Beispiels der Abführsteuerung des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems;
  • 8C ist eine Zeittafel (die die Öffnungs-/Schließaktion des Gas-/Wasserabführventils zeigt) zur Erläuterung eines weiteren Beispiels der Abführsteuerung des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems;
  • 9A ist eine Zeittafel (die die Öffnungs-/Schließaktion des Injektors zeigt) zur Erläuterung der Abführsteuerung eines herkömmlichen Brennstoffzellensystems;
  • 9B ist eine Zeittafel (die eine berechnete Abführmenge und eine aktuelle Abführmenge zeigt) zur Erläuterung der Abführsteuerung eines herkömmlichen Brennstoffzellensystems; und
  • 9C ist eine Zeittafel (die die Öffnungs-/Schließaktion des Gas-/Wasserabführventils zeigt) zur Erläuterung der Abführsteuerung eines herkömmlichen Brennstoffzellensystems.
  • Beste Art die Erfindung auszuführen
  • Ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme af die Zeichnungen beschrieben. Mit der vorliegenden Ausführungsform wird ein Beispiel beschrieben, bei welchem die vorliegende Erfindung auf ein bordeigenes Leistungserzeugungssystem eines Brennstoffzellefahrzeugs angewandt wird.
  • Zunächst wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine Anordnung des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wie in 1 gezeigt, schließt das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle 2 ein, die zur Leistungserzeugung Reaktionsgas (ein Oxidationsgas und ein Brenngas) erhält; ein Leitungssystem 3 für Oxidationsgas, das der Brennstoffzelle 2 Luft als Oxidationsgas zuführt; ein Leitungssystem 4 für Brenngas, das der Brennstoffzelle 2 ein Wasserstoffgas als das Brenngas zuführt; ein Leitungssystem 5 für ein Kühlmittel, das der Brennstoffzelle 2 ein Kühlmittel zuführt; ein Leistungssystem 6, das die Leistung des Systems zuführt oder ableitet, und ein Steuerteil 7, das allgemein das ganze System steuert.
  • Die Brennstoffzelle 2 besitzt eine Stapelstruktur, die beispielsweise von der Art eines elektrolytischen festen Polymers ist und in der eine große Zahl von Einzelzellen geschichtet ist. Die Einzelzelle der Brennstoffzelle 2 besitzt einen Luftpol auf einer Oberfläche eines von einem Elektronenaustauschfilm gebildeten Elektrolyten und einen Brennstoffpol auf der anderen Oberfläche, und weiter ein Paar von Separatoren derart, daß der Luftpol und der Brennstoffpol von entgegengesetzten Seiten gehalten werden. Das Brenngas wird dem Brenngaskanal eines Separators zugeführt und das Oxidationsgas dem Oxidationsgaskanal des anderen Separators. Wenn diese Gase zugeführt werden, erzeugt die Brennstoffzelle Leistung. Ein Stromsensor 2a, der während der Leistungserzeugung einen Strom feststellt, ist an der Brennstoffzelle 2 angebracht.
  • Das Leitungssystem 3 für das Oxidationsgas schließt einen Strömungskanal 11 zur Luftversorgung ein, durch den das der Brennstoffzelle 2 zuzuführende Oxidationsgas strömt, sowie einen Strömungskanal 12 zur Gasabführung, durch den ein aus der Brennstoffzelle 2 abzuführendes Oxidationsabgas strömt. Der Strömungskanal 11 zur Luftversorgung ist mit einem Kompressor 14 versehen, der das Oxidationsgas über einen Filter 13 aufnimmt, und mit einem Befeuchter 15, der das unter Druck durch den Kompressor 14 geförderte Oxidationsgas befeuchtet. Das durch den Strömungskanal 12 zur Gasabführung strömende Oxidationsabgas strömt über ein Rückdruckeinstellventil 16, wird beim Wassergehaltaustausch im Befeuchter 15 benutzt und schließlich als Abgas an die Atmosphäre außerhalb des Systems abgeführt. Der Kompressor 14 wird durch einen (nicht gezeigten) Motor angetrieben, um das Oxidationsgas aus der Atmosphäre aufzunehmen.
  • Das Leitungssystem 4 für das Brenngas besitzt eine Wasserstoffversorgungsquelle 21; einen Strömungskanal 22 für die Wasserstoffzufuhr, durch den das von der Wasserstoffversorgungsquelle 21 der Brennstoffzelle 2 zuzuführende Wasserstoffgas strömt; einen Kreislaufkanal 23 zur Rückführung eines von der Brennstoffzelle 2 abgegebenen Wasserstoffabgases (ein Brenngasabgas) zu einem Anschlußteil A1 des Strömungskanals 22 für die Wasserstoffzufuhr; eine Wasserstoffpumpe 24, die das im Kreislaufkanal 23 unter Druck stehende Wasserstoffabgas dem Strömungskanal 22 für die Wasserstoffzufuhr zuführt; und einen Strömungskanal 25 zur Gas-/Wasser-Abführung der vom Kreislaufkanal 23 abzweigt und mit diesem verbunden ist.
  • Die Wasserstoffversorgungsquelle 21 entspricht einer Brennstoffversorgungsquelle gemäß der vorliegenden Erfindung, besteht beispielsweise aus einem Hochdrucktank, einer Wasserstoff absorbierenden Legierung, oder dergleichen, und kann so gestaltet sein, daß sie 35 MPa oder 70 MPa aufnimmt. Wenn ein später beschriebenes Absperrventil 26 geöffnet wird, strömt das Wasserstoffgas von der Wasserstoffversorgungsquelle 21 zum Strömungskanal 22 für die Wasserstoffzufuhr. Der Druck des Wasserstoffgases wird durch einen Regler 27 und einen später beschriebenen Injektor 28 schließlich auf beispielsweise etwa 200 kPa reduziert und das Gas wird der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Es ist zu beachten, daß die Wasserstoffversorgungsquelle 21 von einem Reformer gebildet wird, der ein wasserstoffreiches Reformgas aus einem Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis bildet, und einem Hochdruckgastank, der das durch diesen Reformer gebildete Reformgas zur Druckakkumulieren in einen Hochdruckzustand bringt. Alternativ kann als Wasserstoffversorgungsquelle 21 ein Tank mit der Wasserstoff absorbierenden Legierung verwendet werden.
  • Der Strömungskanal 22 für die Wasserstoffzufuhr ist mit dem Absperrventil 26 versehen, das die Zufuhr des Wasserstoffgases von der Wasserstoffversorgungsquelle 21 sperrt oder freigibt, mit dem Regler 27 zur Regelung des Drucks des Wasserstoffgases und dem Injektor 28. Auf der stromab gelegenen Seite des Injektors 28 und auf der stromauf gelegenen Seite des Anschlußteils A1 ist zwischen dem Strömungskanal 22 für die Wasserstoffzufuhr und dem Kreislaufkanal 23 ein Drucksensor 29 angeordnet, der den Druck des Wasserstoffgases im Strömungskanal 22 für die Wasserstoffzufuhr feststellt. Des weiteren sind auf der stromauf gelegenen Seite des Injektors 28 ein Drucksensor und ein Temperatursensor (nicht gezeigt) angeordnet, die Druck und Temperatur des Wasserstoffgases im Strömungskanal 22 für die Wasserstoffzufuhr feststellen. Die Information über den Gaszustand (ein Druck, eine Temperatur) des Wasserstoffgases, festgestellt vom Drucksensor 29 oder dergleichen, wird bei der Rückführungssteuerung oder Abführungssteuerung des später beschriebenen Injektors 28 benutzt.
  • Der Regler 27 ist eine Vorrichtung, die den stromauf vom Regler herrschenden Druck (Primärdruck) auf einen vorgegebenen Sekundärdruck einstellt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird als Regler 27 ein den Primärdruck reduzierendes, mechanisches Druckminderventil eingesetzt. Als Konstruktion des mechanischen Druckminderventils kann eine bekannte Bauform eingesetzt werden, die ein Gehäuse aufweist, das mit einer Rückdruckkammer und einer über eine Membran gebildeten Druckeinstellkammer versehen ist, und in der entsprechend dem Rückdruck in der Rückdruckkammer der Primärdruck auf einen vorgegebenen Druck reduziert wird, um in der Druckeinstellkammer den Sekundärdruck auszubilden. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind, wie in 1 gezeigt, auf der stromauf vom Injektor 28 gelegenen Seite zwei Regler 27 angeordnet, wodurch der Druck stromauf vom Injektor 28 wirkungsvoll reduziert werden kann. Deshalb kann der gestalterische Freiheitsgrad bei der mechanischen Konstruktion (ein Ventilkörper, ein Gehäuse, ein Kanal, eine Betätigungsvorrichtung und dergleichen) des Injektors 28 gesteigert werden. Überdies kann der stromauf vom Injektor 28 herrschende Druck reduziert werden, so daß es möglich ist, das Problem zu lösen, daß sich der Ventilkörper des Injektors 28 aufgrund der Zunahme der Druckdifferenz zwischen dem Druck stromauf vom Injektor 29 und dem Druck stromab von diesem nicht leicht bewegen läßt. Deshalb kann der Einstellbereich des variablen Drucks auf der Seite stromab vom Injektor 28 erweitert und das Absinken der Ansprechfähigkeit des Injektors 28 unterdrückt werden. Der Regler 27 stellt den Gaszustand (den Gasdruck) auf der stromauf gelegenen Seite des Strömungskanals 22 für die Wasserstoffzufuhr für die Gasversorgung der stromab gelegenen Seite ein und entspricht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur veränderbaren Gaszufuhr.
  • Der Injektor 28 ist ein Ventil der elektromagnetisch zu öffnenden und zu schließenden Bauart, bei der der Ventilkörper in einer vorgegebenen Betätigungsperiode direkt durch eine elektromagnetische Betätigungskraft betätigt und von einem Ventilsitz abgehoben wird, wodurch der Gasdurchfluß oder der Gasdruck eingestellt werden kann. Der Injektor 28 umfaßt den Ventilsitz, der ein Düsenloch aufweist, das ein Brenngas, wie das Wasserstoffgas, ausstößt, und auch einen Düsenkörper, der das Brenngas dem Düsenloch zuführt, wobei der Ventilkörper zum Öffnen und Schließen des Düsenlochs beweglich aufgenommen und in Bezug auf die axiale Richtung (die Gasdurchflußrichtung) gehalten wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Ventilkörper des Injektors 28 durch ein Solenoid betätigt, das eine elektromechanische Antriebsvorrichtung ist, und ein diesem Solenoid zugeführter impulsartiger Erregerstrom kann ein- und ausgeschaltet werden, um die Öffnungsfläche des Düsenlochs in zwei oder mehr Stufen zu schalten. Die Dauer und der Zeitpunkt des Gasstrahls des Injektors 28 werden auf der Basis eines von der Steuervorrichtung 7 ausgegebenen Steuersignals gesteuert, wodurch der Durchfluß und der Druck des Wasserstoffgases präzise gesteuert werden. Im Injektor 28 wird das Ventil (der Ventilkörper und der Ventilsitz) zum Öffnen und Schließen direkt durch die elektromagnetische Antriebskraft betätigt, und die Betätigungsperiode des Ventils kann in einen hoch empfindlichen Bereich gesteuert werden, so daß der Injektor eine hohe Ansprechqualität aufweist.
  • Um im Injektor 28 das Gas mit einem geforderten Durchfluß der stromab gelegenen Seite des Injektors zuzuführen, werden wenigstens die Öffnungsfläche (der Öffnungsgrad) oder die Öffnungsdauer des im Gaskanal des Injektors 28 vorgesehenen Ventilkörpers oder beide verändert, wodurch der Durchfluß (oder die Wasserstoff-Molkonzentration) des der stromab gelegenen Seite (der Seite der Brennstoffzelle 2) zuzuführenden Gases eingestellt wird. Es ist anzumerken, daß der Ventilkörper des Injektors 28 geöffnet oder geschlossen wird, um den Gasdurchfluß einzustellen, und der Druck des der stromab gelegenen Seite zuzuführenden Gases wird gegenüber dem Gasdruck auf der stromauf gelegenen Seite des Injektors 28 reduziert, so daß der Injektor 28 als Druckeinstellventil (ein Druckminderventil, ein Regler) verstanden werden kann. Überdies kann bei der vorliegenden Ausführungsform der Injektor 28 als ein verstellbares Druckeinstellventil aufgefaßt werden, das in der Lage ist, den Einstellbetrag (den Minderungsbetrag) das Gasdrucks stromauf vom Injektor 28 einzustellen, so daß der Druck auf der Basis eines Gasbedarfs einen geforderten Druck in einem vorbestimmten Druckbereich annimmt. Der Injektor 28 stellt einen Gaszustand (einen Gasdurchfluß, eine Wassserstoff-Molkonzentration oder einen Gasdruck) auf der stromauf gelegenen Seite des Strömungskanals 22 für die Wasserstoffzufuhr ein, um das Gas der stromab gelegenen Seite zuzuführen, und entspricht der verstellbaren Gasversorgungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Es ist anzumerken, daß bei der vorliegenden Ausführungsform, wie in 1 gezeigt, der Injektor 28 auf der stromauf vom Anschlußteil A1 gelegenen Seite zwischen dem Strömungskanal 22 für die Wasserstoffzufuhr und dem Kreislaufkanal 23 angeordnet ist. Überdies ist, wie in 1 gezeigt, falls als Brennstoffversorgungsquellen eine Mehrzahl von Wasserstoffversorgungsquellen 21 eingesetzt sind, der Injektor 28 auf der stromab gelegenen Seite eines Teils (ein Wasserstoffgasanschlußteil A2) angeordnet, in dem die von den Wasserstoffversorgungsquellen 21 zugeführten Wasserstoffgase vereinigt werden.
  • Der Kreislaufkanal 23 ist mit dem Strömungskanal 25 zur Gas-/Wasser-Abführung über eine Gas-Flüssigkeits-Scheidevorrichtung 30 und ein Gas-Wasser-Abführventil 31 verbunden. Die Gas-Flüssigkeits-Scheidevorrichtung 30 sammelt den Wasserinhalt aus dem Wasserstoffabgas. Das Gas-Wasser-Abführventil 31 arbeitet in Übereinstimmung mit einem Befehl vom Steuerteil 7, um aus dem System den durch die Gas-Flüssigkeits-Scheidevorrichtung 30 gesammelten Wassergehalt und das Wasserstoffabgas (das Brennstoffabgas) einschließlich der Verunreinigungen im Kreislaufkanal 23 zu entleeren (auszuspülen). Wenn das Gas-Wasser-Abführventil 31 geöffnet wird, sinkt die Konzentration der Verunreinigungen im Wasserstoffabgas des Kreislaufkanals 23 und die Wasserstoffkonzentration im zu zirkulierenden und zuzuführenden Wasserstoffabgas steigt an. Ein stromauf gelegener Drucksensor und ein stromab gelegener Drucksensor, die den Druck des Wasserstoffabgases feststellen, sind in einem in Bezug auf das Gas-Wasser-Abführventil 31 stromauf (im Kreislaufkanal 23) gelegenen Abschnitt bzw. einem stromab (im Strömungskanal 25 zur Gas-/Wasser-Abführung) gelegenen Abschnitt vorgesehen. Die durch diese Drucksensoren erhaltene Information über den Druck des Wasserstoffabgases wird bei der später beschriebenen Steuerung der Entleerung verwendet. Der Kreislaufkanal 23 ist eine Ausführungsform eines Abführungsströmungskanals bei der vorliegenden Erfindung und das Gas-Wasser-Abführventil 31 ist eine Ausführungsform eines Abführventils bei der vorliegenden Erfindung.
  • Das über das Gas-Wasser-Abführventil 31 und den Strömungskanal 25 zur Gas-/Wasser-Abführung abgeführte Wasserstoffabgas wird durch einen (nicht gezeigten) Verdünner verdünnt, um sich mit dem Oxidationsabgas im Strömungskanal 12 zur Gasabführung zu vereinigen. Die Wasserstoffpumpe 24 wird durch einen (nicht gezeigten) Motor angetrieben, um das Wasserstoffgas eines Zirkulationssystems in Umlauf zu halten und der Brennstoffzelle 2 zuzuführen. Das Zirkulationssystem des Wasserstoffgases wird von dem Kanalteil des Strömungskanals 22 für die Wasserstoffzufuhr stromab vom Anschlußteil A1, einem in den Separatoren der Brennstoffzelle 2 ausgebildeten Brenngaskanal und dem Kreislaufkanal 23 gebildet.
  • Das Leitungssystem 5 für ein Kühlmittel besitzt einen Kühlmittelkanal 41, der mit einem Kühlkanal in der Brennstoffzelle 2 verbunden ist, eine im Kühlmittelkanal 41 vorgesehene Kühlpumpe 42 und einen Kühler 43, der das aus der Brennstoffzelle 2 abgeleitete Kühlmittel kühlt. Die Kühlpumpe 42 wird durch einen (nicht gezeigten) Motor angetrieben, um das Kühlmittel im Kreislaufkanal 23 in Umlauf zu versetzen und der Brennstoffzelle 2 zuzuführen.
  • Das Leistungssystem 6 schließt einen Gleichstromwandler 61 für Starkstrom ein, eine Batterie 62, einen Antriebsumrichter 63, einen Antriebsmotor 64, einen beliebigen Hilfsumrichter (nicht gezeigt) und dergleichen mehr. Der Gleichstromwandler 61 für Starkstrom ist ein Gleichstrom-Spannungswandler und besitzt eine Funktion zur Einstellung eines Gleichspannungseingangs von der Batterie, um eine Spannung am Antriebsumrichter anzulegen, und eine Funktion zur Einstellung des Gleichspannungseingangs von der Brennstoffzelle 2 oder dem Antriebsmotor 64, um die Spannung an die Batterie 62 anzulegen. Das Laden/Entladen der Batterie 62 wird durch diese Funktionen des Gleichstromwandlers 61 für Starkstrom realisiert. Zudem wird die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 durch den Gleichstromwandler 61 für Starkstrom gesteuert.
  • Die Batterie 62 wird durch das Stapeln von Batteriezellen gebildet, hat als Klemmenspannung eine vorgegebene hohe Spannung und kann durch einen (nicht gezeigten) Batteriecomputer gesteuert werden, um überschüssige Leistung zu speichern oder eine Hilfsleistung abzugeben. Der Antriebsumrichter 63 wandelt einen Gleichstrom in einen Dreiphasen-Wechselstrom um, um den Strom dem Antriebsmotor 64 zuzuführen. Der Antriebsmotor 64 ist beispielsweise ein Dreiphasen-Wechselstrommotor und bildet die Hauptleistungsquelle eines Fahrzeugs, auf dem das Brennstoffzellensystem 1 montiert ist. Der Hilfsumrichter ist ein Motorsteuerabschnitt der den Antrieb eines jeden Motors steuert und den Gleichstrom in einen Dreiphasen-Wechselstrom umwandelt, um den Strom jedem Motor zuzuleiten. Der Hilfsumwandler ist beispielsweise der Pulsbreitenmodulator eines Pulsbreitenmodulationssystems und wandelt die von der Brennstoffzelle 2 oder der Batterie 62 ausgegebene Gleichspannung entsprechend einem Befehl vom Steuerteil 7 in die Dreiphasen-Wechselspannung um, um ein in jedem Motor erzeugtes Drehmoment zu steuern.
  • Der Steuerteil 7 stellt den Betätigungsgrad eines im Fahrzeug vorgesehenen, die Beschleunigung veranlassenden Betätigungsglieds (ein Fahrpedals oder dergleichen) fest und empfängt eine Steuerinformation, wie einen geforderten Beschleunigungswert (beispielsweise die von einer Lastvorrichtung, wie dem Antriebsmotor 64, geforderte, zu erzeugende Leistung), um die Aktionen verschiedener Einheiten im System zu steuern. Es ist zu beachten, daß die Lastvorrichtung gattungsmäßig eine leistungsverbrauchende Vorrichtung ist, einschließlich zusätzlich zum Antriebsmotor 64 vorgesehener Hilfsvorrichtungen (beispielsweise der Motor des Kompressors 14, die Wasserstoffpumpe 24, die Kühlmittelpumpe 42 oder dergleichen), die für den Betrieb der Brennstoffzelle 2 erforderlich sind, Betätigungselemente für den Gebrauch mit jeder Art von Vorrichtungen (eine Gangschaltung, ein Radsteuerungsbereich, eine Lenkvorrichtung, eine Aufhängung oder dergleichen), die mit der Fortbewegung des Fahrzeugs in Verbindung stehen, eine Klimaanlage für den Insassenbereich, Beleuchtung, Audioeinrichtung oder dergleichen.
  • Das Steuerteil 7 wird von einem (nicht gezeigten) Computersystem gebildet. Ein solches Computersystem umfaßt eine CPU, ein ROM, ein RAM, ein Festplattenlaufwerk, eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle, eine Anzeigevorrichtung (Display) und dergleichen, und die CPU liest jede Art von im ROM gespeichertem Programm zur Ausführung gewünschter Berechnungen, Durchführung verschiedener Verfahren und Steuerung, wie etwa die später beschriebene Spülungssteuerung, aus.
  • Insbesondere berechnet das Steuerteil 7, wie in 2 gezeigt, den Durchfluß (nachfolgend als „Wasserstoffverbrauch” bezeichnet) des von der Brennstoffzelle 2 verbrauchten Wasserstoffgases auf der Basis des vom Stromsensor 2a festgestellten Stromwertes während der Leistungserzeugung (eine Funktion zur Berechnung des Brennstoffverbrauchs: B1). Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Wasserstoffverbrauch für jede Berechnungsperiode des Steuerteils 7 durch die Anwendung einer spezifischen Berechnungsformel berechnet und aktualisiert, die eine Beziehung zwischen dem Stromwert der Leistungserzeugung und dem Wasserstoffverbrauch herstellt.
  • Überdies berechnet das Steuerteil 7 einen Zieldruckwert des der Brennstoffzelle zuzuführenden Wasserstoffgases in der Position stromab vom Injektor 28 auf der Basis des Stromwerts der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 2 (eine Funktion zur Berechnung des Zieldruckwerts: B2), sowie eine Spülungszielmenge (die Zielentleerungsmenge des Wasserstoffabgases aus dem Gas-Wasser-Abführventil 31) (eine Funktion zur Berechnung der Zielspülmenge: B3). Bei der vorliegenden Ausführungsform werden der Zieldruckwert und die Zielspülmenge für jede Berechnungsperiode des Steuerteils 7 durch Gebrauch einer speziellen Tafel berechnet, die die Beziehung zwischen dem Stromwert der Leistungserzeugung und dem Zieldruckwert und der Zielspülmenge anzeigt.
  • Des weiteren berechnet das Steuerteil 7 eine Differenz zwischen dem berechneten Zieldruckwert und dem durch den Drucksensor 29 festgestellten Druckwert (dem festgestellten Druckwert) in der in Bezug auf den Injektor 28 stromab gelegenen Position (eine Funktion zur Berechnung des Druckunterschieds: B4). Dann berechnet der Steuerabschnitt 7 einen Durchfluß des Wasserstoffgases (ein Durchfluß zur Rückführungskorrektur), der dem Wasserstoffverbrauch zugefügt wird, um die berechnete Differenz zu reduzieren (ein Funktion zur Berechnung des Korrekturdurchflusses: B5). Zudem addiert das Steuerteil 7 den Wasserstoffverbrauch und den Durchfluß zur Rückführungskorrektur, um den Düsendurchfluß des Injektors 28 zu berechnen (eine Funktion zur Berechnung des Düsendurchflusses: B6). Dann berechnet das Steuerteil 7 die Ausblasdauer des Injektors 28 auf der Basis des berechneten Düsendurchflusses und einer Betätigungsperiode und gibt ein Steuersignal zur Realisierung dieser Ausblasdauer aus, wodurch die Ausblasdauer und der Ausblaszeitpunkt des Injektors gesteuert werden, um den Durchfluß und den Druck des der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden Wasserstoffgases einzustellen. Es ist zu beachten, daß die Information über den Düsendurchfluß des Injektors 28 bei der später beschriebenen Spülungssteuerung benutzt wird.
  • Zusätzlich führt das Steuerteil 7 die Rückflußsteuerung des Injektors 28 durch (steuert die Gasausblasdauer und den Ausblaszeitpunkt des Injektors 28 derart, daß der festgestellte Druckwert in der in Bezug auf den Injektor 28 stromab gelegenen Position einem vorgegebenen Zieldruckwert folgt) und außerdem führt das Steuerteil 7 die Öffnungs-/Schließsteuerung des Gas-Wasser-Abführventils 31 durch, um den Wassergehalt und das Wasserstoffabgas im Kreislaufkanal 23 über das Gas-Wasser-Abführventil 31 nach außen abzuleiten.
  • In diesem Falle berechnet das Steuerteil 7 die gesamte Abführmenge (die Spülmenge) des Wasserstoffabgases aus dem Gas-Wasser-Abführventil 31 auf der Basis der Änderung des Gasversorgungszustands vom Injektor 28 (eine Funktion zur Berechnung der Spülmenge: B7), um zu beurteilen, ob die berechnete Spülmenge eine vorgegebene Spülmenge oder mehr ist oder nicht (eine Funktion zur Beurteilung der Abweichung der Spülmenge: B8). Dann öffnet der Steuerabschnitt 7 das Gas-Wasser-Abführventil 31 in einem Falle, in dem eine berechnete Spülmenge Q geringer ist als eine Zielspülmenge Q0, und schließt das Gas-Wasser-Abführventil 31, falls die berechnete Spülmenge Q gleich der Zielspülmenge Q0 ist oder mehr (eine Funktion zur Spülsteuerung: B9). Während der Spülsteuerung setzt, falls zu einem bestimmten Zeitpunkt die beim Start der Gasversorgung vom Injektor 28 berechnete Spülmenge Q gleich der Zielspülmenge Q0 oder mehr ist, das Steuerteil 7 das Öffnen des Gas-Wasser-Abführventils 31 fort, bis die Gasversorgung gestoppt wird, und das Steuerteil 7 schließt das Gas-Wasser-Abführventil 31 gleichzeitig mit dem Stoppen der Gasversorgung. Das heißt, das Steuerteil 7 fungiert bei der vorliegenden Erfindung als ein Steuermittel.
  • Nun wird die Funktion B7 zur Berechnung der Spülmenge im Detail beschrieben. Falls das Gas-Wasser-Abführventil 31 zur Abführung des Wasserstoffabgases aus dem Kreislaufkanal 23 in einem Zustand geöffnet wird, in dem der festgestellte Druckwert des Drucksensors 29 in der Position stromab vom Injektor 28 aufgrund der Rückführungssteuerung des Injektors 28 dem Zieldruckwert folgt, sinkt der festgestellt Druck zeitweise. Das Steuerteil 7 berechnet eine solche Druckabnahme aufgrund der Ableitung (Ausspülung) des Wasserstoffabgases und berechnet die Abführungsmenge (den der Druckänderung entsprechenden Durchfluß) des Wasserstoffabgases entsprechend der Druckabnahme basierend auf dieser berechneten Druckabnahme (eine Funktion zur Berechnung des der Druckänderung entsprechenden Durchflusses: B7a). Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein der Druckänderung entsprechender Durchfluß Q1 unter Verwendung einer speziellen Berechnungsformel berechnet, die das Verhältnis zwischen der aufgrund der Spülung erfolgenden Druckabnahme und der dieser Druckabnahme entsprechenden Abführmenge des Wasserstoffabgases anzeigt. Überdies berechnet das Steuerteil 7 den Rückführungs-Korrekturdurchfluß (einen der Korrektur der Gasversorgung dienenden Durchfluß) zur Kompensation der Druckabnahme aufgrund der Abführung (Ausspülung) des Wasserstoffabgases (die Funktion zur Berechnung des Korrekturdurchflusses: B5), um einen integrierten Wert Q2 dieses Rückführungs-Korrekturdurchflusses für den Ablauf einer Zeitspanne seit dem Zeitpunkt, zu dem die Spülung gestartet wurde, zu berechnen (eine Funktion zur Integration des Korrekturdurchflusses: B7b). Dann addiert das Steuerteil 7 den der Druckänderung entsprechenden Durchfluß Q1 und den integrierten Wert Q2 des Rückführungs-Korrekturdurchflusses für die Zeitspanne seit dem Zeitpunkt, zu dem die Spülung gestartet wurde, zusammen, um die gesamte Abführungsmenge (die Spülmenge Q) des Wasserstoffabgases aus dem Gas-Wasser-Abführventil 31 zu berechen (die Funktion zur Berechnung der Spülmenge: B7). Das heißt, das Steuerteil 7 fungiert bei der vorliegenden Erfindung als Berechnungsmittel für die Abführmenge.
  • Nun wird unter Bezugnahme auf die Ablaufdiagramme der 3 und 4 und die Zeittafeln der 5A bis 6C ein Betriebsverfahren des Brennstoffzellensystems 1 gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Während des üblichen Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 wird zur Leistungserzeugung das Wasserstoffgas von der Wasserstoffversorgungsquelle 21 dem Brennstoffpol der Brennstoffzelle 2 über den Strömungskanal 22 für die Wasserstoffzufuhr zugeführt und die befeuchtete und eingestellte Luft wird dem Oxidationspol der Brennstoffzelle 2 über den Strömungskanal 11 zur Luftzuführung zugeführt. In diesem Falle wird die von der Brennstoffzelle 2 abzugebende Leistung, (die geforderte Leistung) durch das Steuerteil 7 berechnet und die Mengen des Wasserstoffgases und der Luft werden der Brennstoffzelle 2 in Übereinstimmung mit der durch die Brennstoffzelle erzeugten Leistung zugeführt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird während der Durchführung einer solchen üblichen Aktion die Rückführungssteuerung des Injektors 28 ausgeführt. Zudem wird die Abführsteuerung des Gas-Wasser-Abführventils 31 (die Öffnungs-/Schließsteuerung des Gas-Wasser-Abführventils 31 für die Abführung des Wassergehalts und des im Kreislaufkanal 23 angesammelten Wasserstoffabgases aus dem System) durchgeführt.
  • Zunächst stellt, wie im Ablaufdiagramm der 3 gezeigt, das Steuerteil 7 des Brennstoffzellensystems 1 durch Einsatz des Stromsensors 2a den Stromwert während der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 2 fest (ein Stromfeststellungsschritt: S1). Dann berechnet das Steuerteil 7 den Wasserstoffverbrauch der Brennstoffzelle 2 auf der Basis des festgestellten Stromwerts (ein Schritt zur Feststellung des Wasserstoffverbrauchs: S2) und berechnet auch den Zieldruckwert und die Zielspülmenge des der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden Wasserstoffgases in der bezogen auf den Injektor 28 stromab gelegenen Position (ein Zielwertberechnungsschritt: S3).
  • Nachfolgend stellt das Steuerteil 7 den Druckwert auf der stromab gelegenen Seite des Injektors 28 durch Einsatz des Drucksensors 29 fest (ein Druckwertermittlungsschritt: S4). Danach berechnet das Steuerteil 7 den zur Verringerung einer Differenz zwischen dem beim Zielwertberechnungsschritt S3 festgestellten Zieldruckwert und dem beim Druckwertermittlungsschritt S4 festgestellten Druckwert (der festgestellte Druckwert) dem Wasserstoffverbrauch zuzufügenden Durchfluß des Wasserstoffgases (den Rückführungs-Korrekturdurchfluß) (ein Korrekturdurchflußberechnungsschritt: S5). Nachfolgend addiert das Steuerteil 7 den Wasserstoffverbrauch und den Rückführungs-Korrekturdurchfluß zur Berechnung des Düsendurchflusses des Injektors 28 und berechnet die Ausblasdauer des Injektors 28 basierend auf diesem Düsendurchfluß oder einer Betätigungszeitspanne. Dann gibt das Steuerteil 7 ein Steuersignal zur Realisierung dieser Ausblasdauer aus, um die Dauer und den Zeitpunkt des Gasausblasens am Injektor 28 zu steuern, und stellt den Durchfluß und den Druck des der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden Wasserstoffgases ein (ein Schritt zur Rückführungssteuerung: S6).
  • Das Steuerteil 7 beurteilt, ob während der Realisierung des obigen Schritts S6 zur Rückführungssteuerung eine Anforderung für den Start der Spülung besteht oder nicht (Schritt zur Beurteilung des Spülungsbedarfs: S7). Bei der vorliegenden Ausführungsform gibt ein (nicht gezeigter) Flüssigkeitsmengensensor ein Anforderungssignal für den Start der Spülung an das Steuerteil 7 aus, wenn die Menge des in einem in einem Flüssigkeitsspeicherabschnitt der Gas-Flüssigkeits-Scheidevorrichtung 30 gesammelten Wasserinhalts einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Falls beim Schritt S7 zur Beurteilung des Spülungsbedarfs geurteilt wird, daß keinerlei Bedarf für den Start der Spülung besteht, behält das Steuerteil 7 den geschlossenen Zustand des Gas-Wasser-Abführventils 31 bei (Schritt zum Schließen des Spülventils: S11). Andererseits, falls das Steuerteil 7 das Signal zur Anforderung des Starts der Spülung empfängt, um zu beurteilen, daß beim Schritt S7 zur Beurteilung des Spülungsbedarfs die Forderung für den Start der Spülung besteht und das Ausblasen des Gases aus dem Injektor 28 bereits gestartet ist, öffnet das Steuerteil 7 das Gas-Wasser-Abführventil 31 (ein Schritt zur Öffnung des Spülventils: S8). Wie in den 5A bis 5C gezeigt, wird, wenn das Gas-Wasser-Abführventil 31 beim Schritt S8 zum Öffnen des Spülventils geöffnet ist, der in der Gas-Flüssigkeits-Scheidevorrichtung 30 gesammelte Wasserinhalt zum Strömungskanal 25 zur Gas-/Wasser-Abführung entleert. Im wesentlichen gleichzeitig mit dem Ende der Entleerung des Wasserinhalts wird das Wasserstoffabgas im Kreislaufkanal 23 zum Strömungskanal 25 zur Gas-/Wasser-Abführung abgeleitet.
  • Zudem schätzt gleichzeitig mit der Öffnung des Gas-Wasser-Abführventils 31 das Steuerteil 7 die gesamte Abführmenge (die Spülmenge Q) des Wasserstoffabgases aus dem Gas-Wasser-Abführventil 31 (ein Schritt zum Schätzen der Spülmenge: S9). Hier wird nun der Schritt S9 zum Abschätzen der Spülmenge unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm in 4, die Zeittafel in 5D und dergleichen beschrieben.
  • Zunächst berechnet das Steuerteil 7 den der Druckänderung entsprechenden Durchfluß Q1 als den einer Druckabnahme ΔP entsprechenden Durchfluß basierend auf der Druckabnahme ΔP (ein Wert, der durch Subtraktion des aktuellen Wasserstoffdrucks vom Wasserstoffbezugsdruck erhalten wird: siehe 5D) auf der stromab vom Injektor 28 gelegenen Seite, die in einem Falle verursacht wird, bei welchem das Gas-Wasser-Abführventil 31 geöffnet ist, um das Wasserstoffabgas abzuführen (ein Schritt zur Berechnung des der Druckänderung entsprechenden Durchflusses: S20).
  • Nachfolgend berechnet das Steuerteil 7 den Rückführungs-Korrekturdurchfluß zur Kompensation der Druckabnahme auf der stromab vom Injektor 28 gelegenen Seite, verursacht in einem Falle, bei welchem das Gas-Wasser-Abführventil 31 geöffnet ist, um das Wasserstoffabgas abzuführen, und berechnet den integrierten Wert Q2 (siehe 5E) dieses Rückführungs-Korrekturdurchflusses während der seit dem Start der Spülung verstrichenen Zeit (ein Schritt zur Integration des Korrekturdurchflusses: S21). Nachfolgend addiert das Steuerteil 7 den der Druckänderung entsprechenden Durchfluß Q1 und den integrierten Wert Q2 des Rückführungs-Korrekturdurchflusses während der seit dem Spülstart verstrichenen Zeit, um die gesamte Abführungsmenge (die Spülmenge Q) des Wasserstoffabgases aus dem Gas-Wasser-Abführventil 31 zu berechnen (ein Schritt zur Berechnung der Spülmenge: S22).
  • Nach dem Schritt S9 zum Schätzen der Spülmenge beurteilt das Steuerteil 7, ob die geschätzte gesamte Abführmenge (die Spülmenge Q) des Wasserstoffabgases die beim Zielwertberechnungsschritt: S3 berechnete Zielspülmenge Q0 oder mehr ist (ein Spülmengenbeurteilungsschritt: S10). Dann setzt in einem Falle, in welchem die geschätzte Spülmenge Q geringer ist als die Zielspülmenge Q0, das Steuerteil 7 den Schritt S9 zum Schätzen der Spülmenge und den Spülmengenbeurteilungsschritt S10 fort. Andererseits schließt das Steuerteil 7, falls die geschätzte Spülmange Q die Zielspülmenge Q0 oder mehr ist, das Gas-Wasser-Abführventil 31 (der Spülventilschließschritt: S11). Beim Spülventilschließschritt S11 setzt, wie in den 6A und 6C gezeigt, die Öffnung des Gas-Wasser-Abführventils 31 fort, bis die Gaszufuhr in einem Falle geschlossen wird, in dem zu einem bestimmten Zeitpunkt die beim Start der Gaszufuhr aus dem Injektor 28 berechnete Spülmenge Q die Zielspülmenge Q0 oder mehr ist, und das Steuerteil 7 schließt das Gas-Wasser-Abführventil 31 gleichzeitig mit dem Stopp der Gaszufuhr. Das Steuerteil 7 kann das Gas-Wasser-Abführventil 31 in dieser Weise steuern, um das Gas eines Inkrements ΔQ der Gasabführmenge abzuführen, das der Gaszufuhr (der kritischen Gaszufuhr) aus dem Injektor 28 in einem Falle entspricht, in welchem die aktuelle Spülmenge die Zielspülmenge Q0 überschreitet.
  • Beim Brennstoffzellensystem 1 gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform kann das Gas-Wasser-Abführventil 31 gleichzeitig mit dem Stopp der kritischen Gaszufuhr vom Injektor 28 in dem Falle geschlossen werden, daß die Spülmenge, die während der Öffnung des Gas-Wasser-Abfürventils 31 berechnet wird, die vorgegebene Zielspülmenge Q0 überschreitet. Mit anderen Worten, falls die Spülmenge, die während der Öffnung des Gas-Wasser-Abführventils 31 berechnet wird, die vorgegebene Zielspülmenge Q0 überschreitet, kann die Öffnung des Gas-Wasser-Abführventils 31 unter Berücksichtigung der kritischen Gaszufuhr vom Injektor 28 fortgesetzt werden. Deshalb kann die aktuelle Spülmenge aufgrund der Gaszufuhr aus dem Injektor 28 daran gehindert werden, unter die Zielspülmenge abzusinken (der Gasabführfehler).
  • Es ist zu beachten, daß bei der obigen Ausführungsform ein Beispiel beschrieben wurde, bei dem das Leitungssystem 4 des Brennstoffzellensystems 1 für das Wasserstoffgas mit dem Kreislaufkanal 23 versehen ist. Es kann jedoch beispielsweise, wie in 7 gezeigt, ein den Kreislaufkanal 23 ersetzender Strömungskanal 32 für die Abführung mit einer Brennstoffzelle 2 verbunden sein. Selbst in einem Falle, in dem eine solche Anordnung (System mit totem Ende) eingesetzt wird, kann eine Funktionsweise und Wirkung wie bei der obigen Ausführungsform erhalten werden, wenn ein Gas-Wasser-Abführventil 31 gleichzeitig mit dem Stopp der kritischen Gaszufuhr von einem Injektor 28 in der gleichen Weise geschlossen wird wie bei der obigen Ausführungsform.
  • Außerdem wurde bei der obigen Ausführungsform ein Beispiel beschrieben, bei dem das Gas-Wasser-Abführventil 31 gleichzeitig mit der kritischen Gaszufuhr vom Injektor 28 geschlossen wird, wenn die während der Öffnung des Gas-Wasser-Abführventils 31 berechnete Spülmenge die Zielspülmenge überschreitet. Jedoch kann die Öffnungs-/Schließaktion des Gas-Wasser-Abführventils 31 weiter präzise gesteuert werden.
  • Wie beispielsweise in den 8A bis 8C gezeigt ist, berechnet das Steuerteil 7 eine erforderliche Zeitspanne Δt von dem Zeitpunkt, zu dem die kritische Gaszufuhr vom Injektor 28 gestartet wird, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Spülmenge, die durch Hinzufügen eines Teils eines Inkrements ΔQ der Gasabführmenge, das der kritischen Gaszufuhr entspricht, zu einer Spülmenge zu diesem Zeitpunkt berechnet wird, die Zielspülmenge Q0 erreicht, in einem Falle, in dem die berechnete Spülmenge Q die Zielspülmenge Q0 oder mehr ist, und das Gas-Wasser-Abführventil 31 kann geschlossen werden, nachdem die erforderliche Zeitspanne Δt vom Start der kritischen Gaszufuhr an abgelaufen ist. Die erforderliche Zeitspanne Δt kann berechnet werden unter Verwendung einer lokalen Gasabführgeschwindigkeit (das Inkrement der Gasabführmenge pro Zeiteinheit), die aus dem der kritischen Gaszufuhr aus dem Injektor 28 entsprechenden Inkrement ΔQ und einer Zeitspanne berechnet wird, die erforderlich ist, um alle Inkremente ΔQ der Gasabführmenge auszuspülen, sowie einer Differenz der vor Zufügung des Inkrements ΔQ der Gasabführmenge berechneten Spülmenge und der Zielspülmenge Q0.
  • In einem Falle, in dem das Steuerteil 7 das Gas-Wasser-Abführventil 31 in dieser Weise steuert, wenn das Gas-Wasser-Abführventil 31 gleichzeitig mit dem Stopp der kritischen Gaszufuhr vom Injektor 28 schließt und die aktuelle Spülmenge die Zielspülmenge überschreitet, wie in 8C gezeigt, kann das Gas-Wasser-Abführventil 31 vor dem Stopp der kritischen Gaszufuhr geschlossen werden. Demzufolge kann verhindert werden, daß die aktuelle Spülmenge oberhalb der Zielspülmenge liegt (der Gasabführungsfehler).
  • Zudem wurde bei der obigen Ausführungsform ein Beispiel beschrieben, bei dem der Kreislaufkanal 23 mit der Wasserstoffpumpe 24 versehen ist. es kann aber statt der Wasserstoffpumpe 24 ein Ejektor verwendet werden. Außerdem wird bei der obigen Ausführungsform ein Beispiel beschrieben, bei dem das Gas-Wasser-Abführventil 31 zur Realisierung sowohl der Gasabführung als auch der Wasserabführung im Kreislaufkanal 23 vorgesehen ist. Jedoch können ein Wasserabführventil zur Abführung des durch die Gas-Flüssigkeits-Scheidevorrichtung 30 gesammelten Wassergehalts nach außen und ein Gasabführventil zur Ableitung des Gases aus dem Kreislaufkanal 23 getrennt vorgesehen werden, so daß das Steuerteil 7 das Wasserabführventil und das Gasabführventil getrennt steuern kann.
  • Außerdem wurde bei der obigen Ausführungsform ein Beispiel beschrieben, bei welchem der Strömungskanal 22 für die Wasserstoffzufuhr mit dem Absperrventil 26 und dem Regler 27 versehen ist. weil jedoch der Injektor 28 die Funktion des variablen Druckeinstellventils ausführt und auch die Funktion des Absperrventils zum Sperren der Zufuhr des Wasserstoffgases ausführt, müssen das Absperrventil 26 und der Regler 27 nicht notwendigerweise vorgesehen werden. Demzufolge können das Absperrventil 26 und der Regler 27 entfallen, wenn der Injektor 28 eingesetzt wird, und deshalb kann eine Miniaturisierung und Kostensenkung des Systems realisiert werden.
  • Zusätzlich wurde bei der obigen Ausführungsform ein Beispiel beschrieben, bei dem der Wasserstoffverbrauch, der Zieldruckwert und die Zieldruckmenge auf der Basis des Stromwerts der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 2 eingestellt wird. Jedoch können ein anderer physikalischer Wert (der Spannungswert der Leistungserzeugung oder der Wert der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 2, die Temperatur der Brennstoffzelle 2 oder dergleichen) der den Betriebszustand der Brennstoffzelle 2 und den Wasserstoffverbrauch anzeigt, der Zieldruckwert und die Zielspülmenge entsprechend dem festgestellten physikalischen Wert eingestellt werden. Zudem kann das Steuerteil einen Betriebszustand beurteilen, wie etwa, ob die Brennstoffzelle 2 gestoppt, in Betrieb gesetzt ist, sich gerade vor dem Eintritt in eine periodische Aktion oder gerade nach der Rückkehr von der periodischen Aktion befindet oder herkömmlich betrieben wird oder nicht, und das Steuerteil kann einem solchen Betriebszustand entsprechend den Wasserstoffverbrauch oder dergleichen einstellen.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Wie oben bei der Ausführungsform beschrieben, kann ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem in ein Brennstoffzellenfahrzeug eingebaut sein und das System kann in jede Art eines mobilen Körpers eingebaut sein (ein Roboter, ein Schiff, ein Flugzeug oder dergleichen). Überdies kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem in einem stationären Leistungserzeugungssystem zur Anwendung als Leistungserzeugungsausrüstung für ein Bauwerk (eine Einhausung, ein Gebäude oder dergleichen) eingesetzt werden.

Claims (2)

  1. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems (1), aufweisend: eine Brennstoffzelle (2); einen Versorgungsströmungskanal (22) zum Zuführen von Brenngas aus einer Brennstoffversorgungsquelle (21) zu der Brennstoffzelle; einen Injektor (28), der den Gaszustand auf der stromauf gelegenen Seite des Versorgungsströmungskanals zur Versorgung der stromab gelegenen Seite regelt, wobei der Injektor ein sich öffnendes und schließendes Ventil mit einem elektromagnetischem Antrieb ist, in welchem ein Ventilkörper während einer vorbestimmten Betätigungsperiode durch eine elektromagnetische Betätigungskraft betätigt und zur Regelung des Gaszustands von einem Ventilsitz abgehoben werden kann; einen Abführungsströmungskanal (25) zum Abführen von einem von der Brennstoffzelle abgegebenen Brenngasabgas; ein zur Abführung des Gases aus dem Abführungsströmungskanal nach außen geeignetes Abführventil (31); und Steuermittel (7) zum Schließen des Abführventils, wenn eine bei geöffnetem Abführventil und bei gestarteter Zufuhr von Spülgas durch den Injektor berechnete Abführmenge (Q) eine vorgegebene Zielabführmenge (Q0) überschreitet, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass gleichzeitig mit der Öffnung des Abführventils (31) die Abführmenge (Q) berechnet wird, indem: a) eine Durchflussmenge (Q1) berechnet wird, die einer Druckabnahme (ΔP) auf der stromab gelegenen Seite des Injektors aufgrund der Abführung des Gases über das Abführventil entspricht, b) eine Rückführungs-Korrekturdurchflussmenge zur Kompensation der Druckabnahme auf der stromab gelegenen Seite des Injektors berechnet wird, c) ein integrierter Wert (Q2) der Rückführungs-Korrekturdurchflussmenge während der seit dem Start der Spülung verstrichenen Zeit berechnet wird, und d) die Durchflussmenge (Q1) und der integrierte Wert (Q2) der Rückführungs-Korrekturdurchflussmenge addiert werden, um die gesamte Abführmenge (Q) zu berechnen, und dass, falls die bei geöffnetem Abführventil (31) und bei gestarteter Zufuhr von Spülgas durch den Injektor berechnete Abführmenge die vorgegebene Zielabführmenge überschreitet, das Abführventil (31) geöffnet bleibt, bis die Zufuhr von Spülgas gestoppt wird, und gleichzeitig mit dem Stopp der Zufuhr von Spülgas von dem Injektor geschlossen wird.
  2. Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle (2); einen Versorgungsströmungskanal (22) zum Zuführen von Brenngas aus einer Brennstoffversorgungsquelle (21) zu der Brennstoffzelle; einen Injektor (28), der den Gaszustand auf der stromauf gelegenen Seite des Versorgungsströmungskanals zur Versorgung der stromab gelegenen Seite regelt, wobei der Injektor ein sich öffnendes und schließendes Ventil mit einem elektromagnetischem Antrieb ist, in welchem ein Ventilkörper während einer vorbestimmten Betätigungsperiode durch eine elektromagnetische Betätigungskraft betätigt und zur Regelung des Gaszustands von einem Ventilsitz abgehoben werden kann; einen Abführungsströmungskanal (25) zum Abführen von einem von der Brennstoffzelle abgegebenen Brenngasabgas; ein zur Abführung des Gases aus dem Abführungsströmungskanal nach außen geeignetes Abführventil (31); und Steuermittel (7) zum Schließen des Abführventils, wenn eine bei geöffnetem Abführventil und bei gestarteter Zufuhr von Spülgas durch den Injektor berechnete Abführmenge (Q) eine vorgegebene Zielabführmenge (Q0) überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel das Verfahren nach Anspruch 1 ausführt.
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