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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellenstapel und
insbesondere auf eine Steuerstrategie zum Erzielen eines Profils
der relativen Feuchtigkeit für
den Brennstoffzellenstapelbetrieb mit hoher Stromdichte.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen
werden als Leistungsquelle für
Elektrofahrzeuge, für
stationäre
Leistungsversorgungen und für
andere Anwendungen verwendet. Eine bekannte Brennstoffzelle ist
die PEM-Brennstoffzelle (d. h. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle),
die eine so genannte MEA ("Membranelektrodenanordnung") umfasst, die einen
dünnen, festen
Polymermembranelektrolyten mit einer Anode an einer Fläche und
mit einer Katode an der gegenüberliegenden
Fläche
aufweist. Die MEA ist zwischen ein Paar elektrisch leitender Kontaktelemente
geschichtet, die als Stromabnehmer für die Anode und für die Katode
dienen und die darin geeignete Kanäle und Öffnungen umfassen können, um
die gasförmigen
Reaktanden (d. h. H2 und O2/Luft)
der Brennstoffzelle über
die Oberflächen
der Anode bzw. der Katode zu verteilen.
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PEM-Brennstoffzellen
umfassen mehrere der MEAs, die elektrisch in Reihe miteinander gestapelt
sind, während
sie durch ein undurchlässiges, elekt risch
leitendes Kontaktelement, das als eine Bipolplatte oder als ein
Stromabnehmer bekannt ist, eine von der nächsten getrennt sind. In einigen Brennstoffzellentypen
besteht jede Bipolplatte aus zwei getrennte Platten, die mit einem
Fluiddurchgang dazwischen, durch den ein Kühlmittelfluid fließt, um Wärme von
beiden Seiten der MEAs zu entfernen, aneinander befestigt sind.
In anderen Brennstoffzellentypen umfassen die Bipolplatten sowohl
einzelne Platten als auch aneinander befestigte Platten, die in einem
sich wiederholenden Muster angeordnet sind, wobei wenigstens eine
Oberfläche
der MEA durch ein durch die Platten fließendes Kühlmittelfluid gekühlt wird.
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Die
Brennstoffzellen werden in einer Weise betrieben, die die MEAs in
einem befeuchteten Zustand hält.
Der Grad der Feuchtigkeit oder Hydratation der MEAs beeinflusst
die Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzelle. Eine zu nasse MEA begrenzt die Leistungsfähigkeit
des Brennstoffzellenstapels und kann einen Betrieb mit hoher Stromdichte
verhindern. Insbesondere verhindert die Bildung von flüssigem Wasser
die Diffusion von Gas in die MEAs und begrenzt damit ihre Leistungsfähigkeit.
Außerdem wirkt
das flüssige
Wasser als eine Flussunterbrechung, die den Zellenfluss verringert
und eine noch höhere
relative Feuchtigkeit der Brennstoffzelle verursacht, die zu instabiler
Brennstoffzellenleistungsfähigkeit
führen
kann. Eine zu trockene MEA begrenzt ebenfalls die Leistungsfähigkeit
und kann einen Betrieb mit hoher Stromdichte verhindern. Genauer
beginnt, während
der Feuchtigkeitspegel abnimmt, die Protonenleitfähigkeit
der MEA (insbesondere in der Nähe
des Einlasses) zuzunehmen, was zu zusätzlicher Abwärme und
zu niedrigerer Elektrizitätserzeugung
führt.
Darüber
hinaus legen Haltbarkeitsdaten nahe, dass ein großes Durchlaufen
periodischer Änderungen
des Feuchtigkeitsgehalts der MEA, das zu untergetauchten und getrockneten
Membranen führt, wegen
des wiederholten Anschwellens und Schrumpfens der Membran zu erheblichem
Haltbar keitsverlust führen
kann. Somit begrenzten untergetauchte und trockene Betriebsbedingungen
den Betrieb mit hoher Stromdichte und können die Haltbarkeit der MEA
und der Brennstoffzelle verringern.
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Dementsprechend
ist es vorteilhaft, den Betrieb der Brennstoffzelle in einer Weise
zu steuern, die den untergetauchten Betrieb und/oder den trockenen
Betrieb der Brennstoffzelle verhindert und/oder minimiert. Darüber hinaus
wäre es
vorteilhaft, den Betrieb der Brennstoffzelle in einer Weise zu steuern,
die zum Betrieb mit hoher Stromdichte der Brennstoffzelle führt und
dadurch einen effizienten Betrieb sicherstellt. Darüber hinaus
wäre es
vorteilhaft, wenn dieser Betrieb über die Nennleistungsbetriebspegel
der Brennstoffzelle einschließlich
Ausgleichsvorgängen
nach oben und unten in dem Leistungspegel erzielt werden könnte.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Steuerstrategie, die zu einem
Profil der relativen Feuchtigkeit, d. h. zu der Art, in der sich
die relative Feuchtigkeit entlang des Flusswegs des vom Einlass
zum Auslass fließenden
Katodenreaktanden ändert,
führt, das
unabhängig
von dem Betriebsleistungspegel des Brennstoffzellenstapels im Wesentlichen
dasselbe oder konstant ist. Die Strategie hält das Profil der relativen
Feuchtigkeit innerhalb eines Bereichs, der den Betrieb des Brennstoffzellenstapels
mit hoher Stromdichte ermöglicht.
Das Profil wird dadurch erzielt, dass eine Kühlmitteldurchflussmenge durch den
Brennstoffzellenstapel so eingestellt wird, dass eine Temperaturänderung über den
Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass unabhängig
vom Betriebsleistungspegel des Brennstoffzellenstapels im Wesentlichen
aufrechterhalten wird.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben
eines Brennstoffzellensystems offenbart, das einen Brennstoffzellenstapel
und ein Kühlmittelversorgungsteilsystem
umfasst, wobei durch den Brennstoffzellenstapel ein Katodenflussweg
und ein Kühlmittelflussweg
verlaufen. Das Verfahren umfasst: (1) Betreiben des Brennstoffzellenstapels
zum Erzeugen von Elektrizität;
(2) Überwachen
eines Leistungspegels des Brennstoffzellenstapels; (3) Bestimmen
eines Kühlmittelflusses
durch den Kühlmittelflussweg,
um basierend auf dem Leistungspegel im Wesentlichen eine vorgegebene
Kühlmitteltemperaturänderung durch
den Kühlmittelflussweg
zu erzielen; und (4) Einstellen des Betriebs des Kühlmittelversorgungsteilsystems,
um im Wesentlichen den bestimmten Kühlmittelfluss zu erzielen.
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In
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels mit einem Kühlmittelflussweg
durch ihn offenbart. Das Verfahren umfasst: (1) Sicherstellen eines
Leistungspegels des Brennstoffzellenstapels; und (2) Einstellen
eines Kühlmittelflusses
durch den Kühlmittelflussweg
basierend auf dem Leistungspegel. Das Einstellen des Kühlmittelflusses umfasst:
(a) Zuführen
des Kühlmittelflusses
als Flussimpulse durch den Kühlmittelflussweg,
wenn der Leistungspegel gleich oder unter einem vorgegebenen Schwellenwert
ist; und (b) Zuführen
des Kühlmittelflusses
als ein kontinuierlicher Strom durch den Kühlmittelflussweg, wenn der
Leistungspegel den vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.
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In
einem abermals weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Brennstoffzellensystem offenbart. Das Brennstoffzellensystem umfasst
einen Brennstoffzellenstapel mit einer Katode und mit Kühlmittelflusswegen
durch ihn. Es gibt ein Kühlmittelversorgungsteilsystem,
das so betreibbar ist, dass es einen Kühlmittelfluss durch den Kühlmittelflussweg
zuführt, der
eine Temperaturänderung über den
Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass während des
Nennbetriebs des Brennstoffzellenstapels unabhängig von einem Leistungspegel
des Brennstoffzellenstapels im Wesentlichen konstant hält. Das
Kühlmittelversorgungsteilsystem
ist so betreibbar, dass es den Kühlmittelfluss
wahlweise als Kühlmittelflussimpulse
und als kontinuierlichen Kühlmittelflussstrom
liefert.
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Weitere
Bereiche der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung gehen aus
der im Folgenden gegebenen ausführlichen
Beschreibung hervor. Selbstverständlich
sollen die ausführliche
Beschreibung und die spezifischen Beispiele, obgleich sie die bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung angeben, nur zur Erläuterung dienen und den Umfang
der Erfindung nicht einschränken.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird umfassender verständlich aus der ausführlichen
Beschreibung und aus den beigefügten
Zeichnungen, in denen:
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems ist, mit dem die Steuerstrategie der
vorliegenden Erfindung genutzt werden kann;
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2 eine
schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
einer Mechanisierung eines Brennstoffzellensystems ist, mit dem die
Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung genutzt werden kann;
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3 eine
schematische Darstellung einer dritten bevorzugten Ausführungsform
einer Mechanisierung eines Brennstoffzellensystems ist, mit dem die
Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung genutzt werden kann;
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4 ein
Ablaufplan ist, der die Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht; und
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5 ein
Ablaufplan ist, der die Bestimmung des geforderten Kühlmitteldurchflussmengenteils
der Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist dem Wesen
nach lediglich beispielhaft und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder
Verwendungen in keiner Weise einschränken. Wie er hier verwendet
wird, bezieht sich der Begriff "Modul" auf eine anwendungsspezifische
integrierte Schaltung (ASIC), auf eine elektronische Schaltung, auf
einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und auf
Speicher, die eines oder mehrere Software- oder Firmware-Programme
ausführen,
auf eine Kombinationslogikschaltung oder auf andere geeignete Komponenten,
die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren gerichtet, um den Betrieb
einer Brennstoffzelle und/oder eines Brennstoffzellenstapels in
der Weise zu steuern, dass für
die Membranen in der Brennstoffzelle bzw. in den Brennstoffzellen
ein gewünschtes
Profil der relativen Feuchtigkeit erzielt wird. Diesbezüglich wird
die vorliegende Erfindung in Bezug auf spezifische Mechanisierungen
für ein
Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel darin diskutiert.
Allerdings ist festzustellen, dass die gezeigten Mechanisierungen
lediglich beispielhaft sind und dass die Verfah ren der vorliegenden
Erfindung auf andere Brennstoffzellensysteme mit anderen Mechanisierungen
anwendbar sind.
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Eine
erste bevorzugte Mechanisierung eines Brennstoffzellensystems 20,
mit dem die Verfahren der vorliegenden Erfindung genutzt werden
können, ist
schematisch in 1 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 20 umfasst
einen Brennstoffzellenstapel 22, der mit einer Wasserstoffquelle 24 und
mit einer Sauerstoffquelle 26, wie sie im Gebiet gut bekannt
sind, verbunden ist. Die Sauerstoffquelle 26 ist Teil eines
unten ausführlicher
beschriebenen Katodenversorgungsteilsystems 28. Außerdem umfasst das
Brennstoffzellensystem 20 ein Kühlmittelversorgungsteilsystem 30,
das durch den Brennstoffzellenstapel 22 einen Kühlmittelfluss
zuführt.
Eine Steuereinheit 32 ist so betreibbar, dass sie den Betrieb
des Brennstoffzellensystems 20 und der Komponenten darin
steuert.
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Der
Brennstoffzellenstapel 22 umfasst mehrere Brennstoffzellen 34,
die in einer gestapelten Konfiguration angeordnet sind. Die Brennstoffzellen 34 umfassen
mehrere Membranelektrodenanordnungen (MEAs), die jeweils zwischen
mehreren Bipolplatten angeordnet sind. Wie im Gebiet bekannt ist, kann
der Stapel außerdem
mehrere Gasverteilungsschichten, mehrere Anodenverteiler, mehrere
Katodenverteiler, mehrere Kühlmittelverteiler
und Endplatten umfassen, die alle in einer gestapelten Beziehung
angeordnet sind. Die Folge der MEAs und der Bipolplatten ist wiederholt,
um die gewünschte
Spannungsabgabe für
den Brennstoffzellenstapel 22 zu liefern. Wie im Gebiet
bekannt ist, umfasst jede MEA eine Membran in Form eines dünnen protonendurchlässigen,
elektrisch nicht leitenden, festen Polymerelektrolyten. An einer
Oberfläche
der Membranen ist eine Anodenkatalysatorschicht vorgesehen, während an
der gegenüberliegenden
Oberfläche
der Membranen eine Katodenkatalysatorschicht vorgesehen ist. Für die vorliegende
Erfindung kann die Konfiguration des Brenn stoffzellenstapels 22 irgendeine
bekannte Anordnung sein. Der Brennstoffzellenstapel 22 besitzt
einen Anodenflussweg, durch den das Anodenreaktandengas fließt, einen
Katodenflussweg, durch den das Katodenreaktandengas fließt, und
einen Kühlmittelflussweg,
durch den das Kühlmittel
fließt.
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Wie
im Gebiet bekannt ist, kann die Wasserstoffquelle 24 einen
Brennstoffprozessor oder gespeicherten Wasserstoff umfassen. Die
Wasserstoffquelle 24 führt
dem Anodenflussweg im Brennstoffzellenstapel 22 über eine
Anodenversorgungsrohrleitung 36 einen Fluss des Anodenreaktanden
zu. Der Anodenabfluss wird über
eine Anodenabgasrohrleitung 38 aus dem Anodenflussweg des
Brennstoffzellenstapels 22 entleert. Die Steuereinheit 32 kommuniziert
mit der Wasserstoffquelle 24 und ist so betreibbar, dass
sie das Zuführen
und Entleeren von Anodenreaktand zu/Anodenabfluss aus dem Anodenflussweg
des Brennstoffzellenstapels 22 steuert. Die Steuereinheit 32 weist
an, dass dem Anodenflussweg eine geforderte Menge Wasserstoff zugeführt wird,
und koordiniert nach Bedarf das Entleeren des Anodenabflusses daraus.
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Die
Sauerstoffquelle 26 kann aus der Umgebung angesaugte Luft
oder aus einer Speichervorrichtung geliefertes reines O2 sein.
Der Katodenreaktand wird dem Katodenflussweg des Brennstoffzellenstapels 22 über eine
Katodenversorgungsrohrleitung 40 zugeführt. Der Katodenabfluss wird über eine Katodenabgasrohrleitung 42 aus
dem Katodenflussweg des Brennstoffzellenstapels 22 entleert.
Das Katodenreaktandengas wird dem Brennstoffzellenstapel 22 durch
den Kompressor 44 zugeführt.
Das Katodenreaktandengas fließt
vom Kompressor 44 durch eine Befeuchtungsvorrichtung 46,
in diesem Fall in Form einer Wasserdampfübertragungsvorrichtung (WVT-Vorrichtung),
in der das Katodenreaktandengas befeuchtet wird. Wie unten ausführlicher
diskutiert wird, ist ein Befeuchtungsumgehungsventil 48 wahlweise
so betreibbar, dass es zulässt,
dass ein Teil des Katodenreaktanden durch die Umgehungsschleife 50 fließt und die
WVT-Vorrichtung 46 vermeidet,
um eine stärkere
Anpassung der Feuchtigkeit des zu dem Katodenflussweg fließenden Katodenreaktanden
zuzulassen.
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Das
Katodenreaktandengas fließt
durch den Katodenflussweg in den Brennstoffzellen 34 des Brennstoffzellenstapels 22 und
verlässt
den Brennstoffzellenstapel 22 über die Katodenabgasrohrleitung 42 in
Form des Katodenabflusses. In der Katodenabgasrohrleitung 42 ist
ein Absperrventil 52 angeordnet. Das Absperrventil 52 ist
so betreibbar, dass es den Auslassdruck des Katodengases steuert,
das den Katodenflussweg im Brennstoffzellenstapel 22 verlässt. Der
Katodenabfluss wird durch die WVT-Vorrichtung 46 geleitet.
Außerdem
umfasst das Katodenversorgungsteilsystem 28 verschiedene Sensoren 54, 56,
die verschiedene Betriebsparameter des Katodenversorgungsteilsystems 28 messen. Die
Sensoren 54, 56 können nach Bedarf Temperatursensoren,
Drucksensoren, Durchflussmengensensoren, Feuchtigkeitssensoren und
dergleichen umfassen, um den Betrieb des Katodenversorgungsteilsystems 28 zu überwachen
und zu steuern. Wie er hier verwendet wird, kann sich der Begriff "Katodengas" sowohl auf den Katodenreaktanden
als auch auf den Katodenabfluss beziehen.
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Die
Sensoren 54, 56 kommunizieren mit der Katodenversorgungsrohrleitung
bzw. mit der Abgasrohrleitung 40, 42. Die Sensoren 54, 56 liefern
eine Vielzahl von Informationen hinsichtlich der innerhalb des Katodenflusswegs
auftretender Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels 22,
wie sie für die
besondere Mechanisierung und Steuerstrategie benötigt werden. Zum Beispiel können die
Sensoren 54, 56 bezüglich der Temperatur, der relativen
Feuchtigkeit, der Durchflussmenge und/oder der Drü cke des
in den Katodenflussweg im Brennstoffzellenstapel 22 fließenden Katodengases
und des ihn verlassenden Katodengases benachrichtigen.
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Innerhalb
der WVT-Vorrichtung 46 wird Feuchtigkeit von dem Katodenabflussstrom
zu dem Katodenreaktandenstrom übertragen,
der den Brennstoffzellenstapel 22 zugeführt wird. Der Betrieb der WVT-Vorrichtung 46 kann
so eingestellt werden, dass sie verschiedene Pegel von Wasserdampfübertragung
zwischen dem Katodenabflussstrom und dem Katodenreaktandenstrom
liefert. Darüber
hinaus kann das Umgehungsventil 48 wahlweise betätigt werden,
um zu ermöglichen,
dass ein Teil des durch den Kompressor 44 zugeführten Katodenreaktandengases
oder das gesamte durch dem Kompressor 44 zugeführte Katodenreaktandengas
durch die Umgehungsschleife 50 fließt und die Befeuchtung innerhalb
der WVT-Vorrichtung 46 vermeidet. Durch Steuern des Betriebs
der WVT-Vorrichtung 46 und der Menge des Katodenreaktanden,
der durch die WVT-Vorrichtung 46 fließt und der
die WVT-Vorrichtung 46 umgeht, kann eine gewünschte relative Feuchtigkeit
für den
in den Katodenflussweg des Brennstoffzellenstapels 22 fließenden Katodenreaktanden
erzielt werden.
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Die
Steuereinheit 32 kommuniziert mit dem Kompressor 44,
mit der WVT-Vorrichtung 46,
mit dem Umgehungsventil 48, mit dem Absperrventil 52 und
mit den Sensoren 54, 56 des Katodenversorgungsteilsystems 28.
Die Steuereinheit 32 überwacht die
Ausgabe der Sensoren 54, 56 und steuert den Betrieb
des Kompressors 44, der WVT-Vorrichtung 46, des
Umgehungsventils 48 und des Absperrventils 52 so,
dass der gewünschte
Betrieb des Katodenversorgungsteilsystems 28 erzielt wird.
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Das
Kühlmittelversorgungsteilsystem 30 führt dem
Kühlmittelflussweg
im Brennstoffzellenstapel 22 über eine Kühlmittelversorgungsrohrleitung 60 einen
Kühlmittelstrom
zu und entfernt über
eine Kühlmittelaustrittsrohr leitung 62 Kühlmittel
aus dem Kühlmittelflussweg.
Eine Pumpe 46 ist so betreibbar, dass sie veranlasst, dass
der Kühlmittelstrom über die Kühlmittelversorgungsrohrleitung 60,
den Kühlmittelflussweg
im Brennstoffzellenstapel 22 und die Kühlmittelaustrittsrohrleitung 62 fließt. Ein
Stapelumgehungsventil 68 ist wahlweise so betreibbar, dass
es einen Teil des die Pumpe 64 verlassenden Kühlmittelstroms
durch eine Stapelumgehungsschleife 70 und in die Kühlmittelaustrittsrohrleitung 62 umleitet, wo
er sich mit dem Teil des Kühlmittelstroms
verbindet, der durch den Kühlmittelflussweg
im Brennstoffzellenstapel 22 geflossen ist. Ein Absperrventil 72 oder
eine ähnliche
Vorrichtung verhindert, dass Kühlmittel,
das durch die Umgehungsschleife 70 fließt, über die Kühlmittelaustrittsrohrleitung 62 in
den Kühlmittelflussweg
zurückfließt.
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Der
Kühlmittelstrom
innerhalb der Kühlmittelaustrittsrohrleitung 62 fließt entweder
durch eine Kühlerumgehungsschleife 74 oder
durch eine Kühlerschleife 76 mit
einem luftgekühlten
Kühler 78 darin zur
Pumpe 64 zurück.
Die Stellung eines Kühlerumgehungsventils 80 bestimmt,
ob der Kühlmittelstrom innerhalb
der Kühlmittelaustrittsrohrleitung 62 durch die
Umgehungsschleife 74 oder durch die Kühlerschleife 76 fließt, bevor
er zur Rückführung durch
den Brennstoffzellenstapel 22 zur Pumpe 64 zurückfließt.
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Außerdem umfasst
das Kühlmittelversorgungsteilsystem 30 mehrere
Sensoren 82, 84, 86, die verschiedene
Betriebsparameter des Kühlmittelversorgungsteilsystems 30 wie
etwa Temperaturen, Durchflussmengen und Drücke messen. Die Sensoren 82, 84, 86 kommunizieren
mit der Steuereinheit 32, um zu ermöglichen, dass die Steuereinheit 32 den
Betrieb des Kühlmittelversorgungsteilsystems 30 steuert
und koordiniert, um für
das in den Kühlmittelflussweg
fließende
und für
das ihn verlassende Kühlmittel
eine gewünschte
Temperatur zu erhalten.
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Die
Steuereinheit 32 kommuniziert mit der Pumpe 64,
mit den Umgehungsventilen 68, 80 und mit den Sensoren 82, 84, 86,
um den Betrieb des Kühlmittelversorgungsteilsystems 30 zu
steuern. Durch Steuern des Betriebs (ein/aus und Geschwindigkeit)
der Pumpe 64, der Stellung des Stapelumgehungsventils 68 und
der Stellung des Kühlerumgehungsventils 80 können die
Dauer, die Menge und die Temperatur des in den Kühlmittelflussweg des Brennstoffzellenstapels 22 fließenden und
ihn verlassenden Kühlmittels
gesteuert werden.
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Das
Kühlmittelversorgungsteilsystem 30 entnimmt
dem Brennstoffzellenstapel 22 Wärme und überträgt diese Wärme über den Kühler 78 an die Umgebung.
Die Kühlmitteleinlasstemperatur
wird durch Einstellen der Stellung des Kühlerumgehungsventils 80 so
gesteuert, dass sich die Mischung des durch die Kühlerumgehungsschleife 74 und
des durch die Kühlerschleife 76 fließenden Kühlmittels
zu einem gewünschten
Temperatursollwert mischt. Das gemischte Kühlmittel wird durch die Kühlmittelversorgungsrohrleitung 60 zu
dem Einlass des Kühlmittelflusswegs
im Brennstoffzellenstapel 22 gepumpt. Die Stellung des
Stapelumgehungsventils 68 kann außerdem den Betrieb des Umgehungsventils 80 beeinflussen,
indem ein Teil des gemischten Stroms direkt zur Kühlmittelaustrittsrohrleitung 62 geleitet
wird, ohne durch den Kühlmittelflussweg
im Brennstoffzellenstapel 22 zu gehen. Somit ist die Temperatur
des Kühlmittels
in der Kühlmittelaustrittsrohrleitung 62 eine
Funktion der Stellung des Stapelumgehungsventils 68, der
Einlasstemperatur des in den Kühlmittelflussweg
fließenden
Kühlmittels
und der durch den Kühlmittelstrom
aus dem Brennstoffzellenstapel 22 entnommenen Wärme. Im
Ergebnis ist die Stapelkühlmitteleinlasstemperatur
eine Funktion der Stellung des Kühlerumgehungsventils 80,
der Kühlerkühlmittelauslasstempe ratur,
der Stellung des Stapelumgehungsventils 68 und der Temperatur
des Kühlmittels
innerhalb der Kühlmittelaustrittsrohrleitung 62.
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Die
Temperatur des Kühlmittels,
das den Brennstoffzellenstapel 22 verlässt, wird dadurch gesteuert,
dass die Kühlmittelpumpengeschwindigkeit so
eingestellt wird, dass die Kühlmitteldurchflussmenge
zu dem gewünschten
Temperaturanstieg führt.
Somit ist die Kühlmittelauslasstemperatur
eine Funktion der Kühlmitteldurchflussmenge,
der in den Kühlmittelflussweg
fließenden
Kühlmitteleinlasstemperatur
und der erzeugten und durch den Kühlmittelstrom entfernten Stapelabwärme.
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Wie
oben festgestellt wurde, kommuniziert die Steuereinheit 32 mit
den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellensystems 20,
um den Betrieb dieser verschiedenen Komponenten zu steuern und zu
koordinieren. Die Steuereinheit 32 ist als eine einzige,
einteilige Steuereinheit gezeigt. Allerdings ist festzustellen,
dass die Steuereinheit 32 aus mehreren diskreten einzelnen
Steuereinheiten bestehen kann, die zusammenwirken, um den Betrieb
des Brennstoffzellensystems 20 zu steuern und zu koordinieren.
Darüber
hinaus ist ebenfalls festzustellen, dass die Steuereinheit 32 nach
Bedarf eines oder mehrere Module umfasst, um die genannten Funktionen
der Steuereinheit 32 auszuführen. Außer der zum Steuern und Koordinieren
des Betriebs des Brennstoffzellensystems 20 diskutierten
Funktionalität
kann die Steuereinheit 32 weitere Funktionalität und Fähigkeiten
haben.
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Die
Steuereinheit 32 überwacht
verschiedene Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 20 und
weist verschiedene Komponenten des Brennstoffzellensystems 20 an,
in der Weise zu arbeiten, dass eine gewünschte Betriebsbedingung erzielt wird.
Die Grundsteuerstrategie gemäß den Prinzipien der
vorliegenden Erfindung ist in 4 veranschaulicht.
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Wie
im Block 100 angegeben ist, weist die Steuereinheit 32 verschiedene
Komponenten des Brennstoffzellensystems 20 an, so zu arbeiten,
dass veranlasst wird, dass der Brennstoffzellenstapel 22 Elektrizität erzeugt.
Um dies auszuführen,
weist die Steuereinheit 32 an, dass dem Anodenflussweg über die
Wasserstoffquelle 24 über
die Anodenversorgungsrohrleitung 36 Anodenreaktand in einer
Menge zugeführt
wird, die ausreicht, um den Leistungsbedarf zu befriedigen. Außerdem entfernt
die Steuereinheit 32 nach Bedarf über die Anodenabgasrohrleitung 38 den
Anodenabfluss aus dem Anodenflussweg. Die Steuereinheit 32 weist
das Katodenversorgungsteilsystem 28 an, dem Katodenflussweg
des Brennstoffzellenstapels 22 Katodenreaktand in einer Menge
zuzuführen,
die ausreicht, um den Leistungsbedarf zu befriedigen. Die Steuereinheit 32 steuert den
Betrieb des Katodenversorgungsteilsystems 28 so, dass beim
Niederleistungsbetrieb (Leerlaufbetrieb) und bei einem Hochleistungsbetrieb
ein gewünschter
Katodengaseinlassdruck erzielt wird. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 32 bei
Leerlauf einen Einlasskatodendruck von 126 kPa und einen Vollleistungs-
oder Hochleistungseinlassdruck von 150 kPa anweisen. Während der
Leistungspegel des Brennstoffzellenstapels 22 zwischen
den Leerlauf- und den Vollleistungsbedingungen variiert, variiert
der Einlassdruck zwischen dem Niederleistungseinlassdruck und dem
Hochleistungseinlassdruck.
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Außerdem koordiniert
die Steuereinheit 32 den Betrieb des Absperrventils 52,
um einen gewünschten
Katodengasauslassdruck zu erzielen. Wie im Block 102 angegeben
ist, hält
die Steuereinheit 32 den Katodengasauslassdruck vorzugsweise unabhängig von
einem Leistungspegel des Brennstoffzellenstapels 22 im
Wesentlichen konstant. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 32 das
Katodenversorgungsteilsystem 28 so betreiben, dass unabhängig von
dem Betriebsleistungspegel des Brennstoffzellenstapels 22 ein
Katodengasauslassdruck von 125 kPa aufrechterhalten wird.
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Außerdem steuert
die Steuereinheit 32 den Betrieb des Katodenversorgungsteilsystems 28 so, das
veranlasst wird, dass der in den Katodenflussweg fließende Katodenreaktand
eine gewünschte
relative Feuchtigkeit wie etwa 65 % besitzt. Wie im Block 104 angegeben
ist, hält
die Steuereinheit 32 die relative Feuchtigkeit des Katodenreaktandeneinlasses
vorzugsweise unabhängig
vom Betriebsleistungspegel des Brennstoffzellenstapels 22 gleich. Um
eine gewünschte
relative Feuchtigkeit zu erzielen, fließt das Katodenreaktandengas
(in seiner Gesamtheit oder ein Teil davon) vor Eintritt in den Katodenflussweg
durch die WVT-Vorrichtung 46. Innerhalb der WVT-Vorrichtung 46 wird
Wasserdampf von dem Katodenabfluss auf das Katodenreaktandengas übertragen.
Je nach dem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 20 und
der WVT-Vorrichtung 46 kann es ein Durchlaufen periodischer Änderungen
der relativen Feuchtigkeit des Katodenreaktanden geben, der die
WVT-Vorrichtung 46 verlässt. Eine
Möglichkeit,
diesen Effekt zu beseitigen oder zu minimieren, ist das aktive Steuern
der Menge des Katodenreaktanden, der die WVT-Vorrichtung 46 umgeht.
Die Steuereinheit 32 weist das Umgehungsventil 48 an,
einen Teil des Katodenreaktanden oder den gesamten Katodenreaktanden über die
Umgehungsschleife 50 um die WVT-Vorrichtung 46 zu
leiten. Der befeuchtete und der unbefeuchtete Katodenreaktandenfluss
werden in der Katodenversorgungsrohrleitung 40 vor Eintritt
in den Katodenflussweg miteinander gemischt. Im Ergebnis kann die
Steuereinheit 32 eine gewünschte relative Feuchtigkeit
für den
in den Katodenflussweg fließenden
Katodenreaktanden erzielen und diese relative Feuchtigkeit unabhängig von
dem Betriebsleistungspegel des Brennstoffzellenstapels 22 im
Wesentlichen konstant halten.
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Außerdem steuert
die Steuereinheit 32 den Betrieb des Kühlmittelversorgungsteilsystems 30. Die
Steuereinheit 32 weist das Kühlmittelversor gungsteilsystem 30 an,
für den
in dem Kühlmittelflussweg
fließenden
Kühlmittelstrom
eine gewünschte
Einlasstemperatur zu erzielen. Wie im Block 105 angegeben
ist, steuert die Steuereinheit 32 außerdem den Betrieb des Kühlmittelversorgungsteilsystems 30 so,
dass eine gewünschte
Temperaturänderung über den
Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass auftritt. Die Kühlmitteleinlasstemperatur und die
Temperaturänderung über den
Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass variieren für den besonderen Brennstoffzellenstapel 22,
an dem die Steuerenergie der vorliegenden Erfindung genutzt wird.
Das heißt,
verschiedene Brennstoffzellenstapel haben verschiedene gewünschte Kühlmitteleinlasstemperaturen
und Temperaturänderungen über den Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass. Die Steuereinheit 32 weist das
Kühlmittelversorgungsteilsystems 30 unabhängig von
dem Stapel an, zu veranlassen, dass eine gewünschte Einlasstemperatur auftritt
und dass eine gewünschte
Temperaturänderung über den
Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass auftritt.
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Somit
weist die Steuereinheit 32 in der Steuerstrategie der vorliegenden
Erfindung das Katodenversorgungsteilsystem 28 an, einen
Katodenauslassdruck und eine relative Feuchtigkeit des Katodenreaktandeneinlasses
unabhängig
von dem Betriebsleistungspegel des Brennstoffzellenstapels 22 im Wesentlichen
konstant zu halten. Im Ergebnis ist der Druckabfall über den
Katodenflussweg bei niedriger Leistung im Wesentlichen ein fester
Wert, ist der Druckabfall über
den Katodenflussweg bei hoher Leistung im Wesentlichen ein fester
Wert und variiert der Wert des Druckabfalls über den Katodenflussweg zwischen
Nieder- und Hochleistungsbetrieb zwischen diesen zwei festen Druckabfällen.
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Wie
im Block 106 angegeben ist, überwacht die Steuereinheit 32 beim
Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22 zum Erzeugen von
Elektrizität
ei nen Leistungspegel des Brennstoffzellenstapels 22. Die Steuerstrategie
der vorliegenden Erfindung stellt eine gewünschte feste Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass her, die zu einem gewünschten Profil der relativen
Feuchtigkeit innerhalb des Brennstoffzellenstapels 22 führt. Genauer
wird das Kühlmittelversorgungsteilsystem 30 dann,
wenn die relative Feuchtigkeit des Einlasses des Katodengases im
Wesentlichen auf einem gewünschten
Pegel hergestellt oder erhalten wird und der Druckabfall über den
Brennstoffzellenstapel ebenfalls innerhalb vorgegebener Grenzen
festgesetzt wird, so betrieben, dass unabhängig von einem Leistungspegel
des Brennstoffzellenstapels eine im Wesentlichen konstante oder
feste Temperaturänderung über den
Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass veranlasst wird. Die feste Temperaturänderung über den
Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass führt
zur selben Temperaturänderung
in dem Katodengas über
den Katodenflussweg. Mit anderen Worten, der Kühlmittelstrom und der Katodenstrom werden
als mit derselben Temperatur genommen, was wegen des großen Wärmeübertragungsfläche/Volumen-Verhältnisses
für eine
typische Brennstoffzelle gerechtfertigt ist. Es kann eine gewünschte Einlasstemperatur
ausgewählt
werden, die dazu führt,
dass das Katodenreaktandengas mit einer gewünschten relativen Feuchtigkeit
in den Katodenflussweg fließt.
Zum Beispiel ändert
sich das Wasserhaltevermögen
des Katodengases basierend auf seiner Temperatur. Im Ergebnis kann
die relative Feuchtigkeit des Katodengases direkt unterstromig der WVT-Vorrichtung 46 dadurch
eingestellt werden, dass eine Kühlmitteleinlasstemperatur
mit einem gewünschten
Betrag bereitgestellt wird. Wenn eine gewünschte Einlasstemperatur hergestellt
worden ist, wird eine gewünschte
Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass verwendet, die eine gewünschte relative Auslassfeuchtigkeit
für den
Katodenabfluss liefert, der den Katodenflussweg verlässt.
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Die
Temperaturänderung über den
Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass, die relative Feuchtigkeit des in den Katodenflussweg
fließenden Katodenreaktanden
und der Druckabfall über
den Katodenflussweg bei einem gegebenen Leistungspegel hängen von
dem spezifischen Entwurf und von dem gewünschten Betrieb des Brennstoffzellenstapels
ab. Für
einen besonderen Brennstoffzellenstapel sind diese Werte für alle erwarteten
Betriebsbedingungen im Wesentlichen dieselben. Allerdings können sich
die Werte dieser verschiedenen Parameter für verschiedene Entwürfe oder
für einen
anderen gewünschten
Betrieb eines anderen Brennstoffzellenstapels unterscheiden. Allerdings
wird die Steuerstrategie weiter unter Verwendung der anwendbaren
Werte realisiert.
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Die
Menge der während
der Erzeugung von Elektrizität
im Brennstoffzellenstapel 22 erzeugten Abwärme ändert sich
mit dem Betriebsleistungspegel. Das heißt, während der Leistungspegel zunimmt, wird
zusätzliche
Abwärme
erzeugt, die vom Brennstoffzellenstapel 22 entfernt werden
muss, um eine gewünschte
Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten. Umgekehrt nimmt die Menge
der erzeugten Abwärme
ab, während
der Leistungspegel abnimmt, so dass eine kleinere Wärmemenge
von dem Brennstoffzellenstapel entfernt werden muss, um eine gewünschte Betriebstemperatur
aufrechtzuerhalten. Die Steuereinheit 32 berücksichtigt
diesen sich ändernden
Leistungspegel, wenn sie bestimmt, wie das Kühlmittelversorgungsteilsystem 30 zu
steuern ist, um die gewünschte
Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass aufrechtzuerhalten. Wie im Block 110 angegeben
ist, wird genauer die Kühlmitteldurchflussmenge
durch den Kühlmittelflussweg
anhand des Betriebsleistungspegels so eingestellt, dass die Kühlmitteltemperaturänderung über den
Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass auf dem gewünschten festen Wert gehalten
wird. Wie unten genauer beschrieben wird, kann die Steuereinheit 32,
wie im Block 112 angegeben ist, ein Mo dell nutzen oder,
wie im Block 114 angegeben ist, eine Nachschlagetabelle
nutzen, um das geforderte Kühlmittelflussregime
zu erhalten, das die gewünschte
Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass aufrechterhält. Daraufhin stellt die Steuereinheit 32 den Betrieb
des Kühlmittelversorgungsteilsystems 30 so ein,
dass die gewünschte
Kühlmitteldurchflussmenge erzielt
wird, wodurch die gewünschte
feste Temperaturänderung über den
Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass aufrechterhalten wird.
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Falls
der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22 andauert, beginnt
die Steuerstrategie, wie im Entscheidungsblock 116 angegeben
ist, erneut, wobei sie weiter durch dieses Szenarium (Blöcke 100-116) geschleift
wird, bis es erwünscht
ist, den Betrieb des Brennstoffzellenstapels zu beenden. Wenn es,
wie im Block 116 angegeben ist, erwünscht ist, den Betrieb des
Brennstoffzellenstapels zu beenden, wird, wie im Block 118 angegeben
ist, eine Abschaltprozedur ausgeführt. Die Abschaltprozedur kann
das Herstellen bestimmter Betriebsparameter umfassen, die von den
Nennbetriebsparametern abweichen, um zu veranlassen, dass die Bedingung
des Stapels vor dem Abschalten in einem gewünschten Zustand ist. Zum Beispiel
kann es erwünscht
sein, für
das Abschalten einen bestimmten Feuchtigkeitszustand zu erzielen,
der von den Nennbetriebsbedingungen verschieden ist. Wenn die Abschaltprozeduren
abgeschlossen sind, endet der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22,
wie im Block 120 angegeben ist.
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Wie
im Block 112 angegeben ist, kann die Steuereinheit 32,
wie oben festgestellt wurde, ein Modell nutzen, um die geforderten
Einstellungen an der Kühlmitteldurchflussmenge
zu bestimmen. Genauer wird ein Algorithmus verwendet, um ein Ausgleichsvorgangsmodell
des Betriebs des Brennstoffzellenstapels bereitzustellen und ein
gefordertes Flussregime zum Auf rechterhalten der festen Temperaturänderung
zu bestimmen. Das Ausgleichsvorgangsmodell sagt bei der Bestimmung
des geeigneten Flussregimes unter Berücksichtigung der verschiedenen
Betriebsparameter wie etwa des Leistungspegels, der Kühlmitteleinlasstemperatur,
des Katodeneinlassdrucks und des Katodenauslassdrucks, der relativen
Feuchtigkeit des Katodeneinlasses, der stöchiometrischen Menge des Katodenreaktanden
und der gewünschten
Temperaturänderung über den
Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass den Betrieb des Brennstoffzellenstapels
voraus. Außerdem
berücksichtigt
der Algorithmus die für
diesen besonderen Leistungspegel erzeugte Abwärme und die Temperaturgänge der
harten und weichen Waren des Brennstoffzellenstapels. Wenn die Menge der
zu entfernenden Abwärme
bestimmt worden ist, kann das geforderte Flussregime zum Aufrechterhalten
der festen Temperaturänderung über den
Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass bestimmt werden. Es ist festzustellen, dass
der Algorithmus die spezifischen Komponenten, aus denen das Kühlmittelversorgungsteilsystem 30 besteht,
und die Beschränkungen
ihrer dynamischen Reaktionen ebenfalls berücksichtigt. Somit wird der
Algorithmus spezifisch für
die spezifischen Komponenten und Betriebsstrategien, die für ein besonderes
Brennstoffzellensystem genutzt werden sollen, abgestimmt oder entwickelt.
Außerdem
kann während
des Systembetriebs die Rückkopplung
der abgetasteten Kühlmittelauslasstemperatur
verwendet werden, um die Kühlmitteldurchflussmenge
und die Impulsparameter fein abzustimmen.
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Wie
im Block 114 angegeben ist, kann alternativ anstelle der
Verwendung eines Algorithmus eine Nachschlagetabelle genutzt werden.
Die Nachschlagetabelle liefert basierend auf dem Leistungspegel
und weiteren Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems 20 die
geforderten Flussregimes zum Aufrechterhalten der gewünschten
festen Temperaturänderung über den
Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass. Das heißt, die Nachschlagetabelle
umfasst mehrere Tabellen, die verschiedenen Betriebsbedingungen
des Brennstoffzellensystems 20 entsprechen, und liefert
das geforderte Flussregime zum Aufrechterhalten der Temperaturdifferenz über den
Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass. Die Nachschlagetabelle wird für ein besonderes Brennstoffzellensystem 20 und/oder
für einen
besonderen Brennstoffzellenstapel 22 hergestellt. Die Daten
in der Nachschlagetabelle basieren vorzugsweise auf empirischen
Daten, die von Standversuchen eines repräsentativen Brennstoffzellenstapels und/oder
Brennstoffzellensystems mit einer dynamischen Charakteristik und
Leistungsfähigkeit
erhoben wurden, die im Wesentlichen dieselben sind wie jene, innerhalb
derer die Nachschlagetabelle genutzt werden soll.
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Dementsprechend
kann die Steuereinheit 32 auf ein Modell zugreifen, das
einen Algorithmus zum Vorhersagen der erzeugten Abwärme verwendet,
der auf den Betriebsparametern des Brennstoffzellenstapels basiert
und ein gewünschtes
Flussregime zum Aufrechterhalten der gewünschten Kühlmitteltemperaturänderung
liefert, oder eine Nachschlagetabelle nutzen, die das geforderte
Kühlmittelflussregime
basierend auf den verschiedenen Betriebsparametern des Brennstoffzellenstapels
liefert. Unabhängig
von der Verwendung eines Modells oder einer Nachschlagetabelle wird
an die Steuereinheit 32 ein gewünschtes Flussregime zum Aufrechterhalten
der gewünschten
Temperaturänderung über den
Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass geliefert. Basierend auf diesem Flussregime
stellt die Steuereinheit 32 den Betrieb des Kühlmittelversorgungsteilsystems 30 so
ein, dass das geforderte Flussregime erfüllt ist.
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Anhand
von 5 ist nun die Bestimmung des geforderten Flussregimes
entweder unter Verwendung des Modells und/oder der Nachschlagetabelle
veranschaulicht. Wenn die Steuereinheit 32 entweder auf
das Modell und/oder auf die Nachschlagetabelle zugreift, beginnt,
wie im Block 130 angegeben ist, ein Start der Bestimmung
des Flussregimes. Wie im Entscheidungsblock 132 angegeben
ist, bestimmt der Betriebsleistungspegel des Brennstoffzellenstapels 22 relativ
zu einem Schwellenwert (z. B. 0,3 A/cm2)
den Typ des Flussregimes (kontinuierlich oder Impuls), das realisiert
wird. Die Entscheidung zwischen der Verwendung entweder eines kontinuierlichen
oder eines diskontinuierlichen Flussregimes (Impulsflussregimes)
berücksichtigt
die Komponenten der besonderen Mechanisierung des Kühlmittelversorgungsteilsystems 30.
Das heißt,
die Komponenten des Kühlmittelversorgungsteilsystems 30 haben
bestimmte Betriebsbeschränkungen
wie etwa Durchflussmengen, Reaktionszeiten usw., die die potentiellen
Flussregimes, die für
ein besonderes Kühlmittelversorgungsteilsystem 30 realisiert
werden können,
beschränken.
Zum Beispiel ist die innerhalb des Brennstoffzellenstapels 22 erzeugte
Abwärme während des
Hochleistungsbetriebs am größten und erfordert
die höchste
Kühlmitteldurchflussmenge,
um die feste Temperaturänderung über den
Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass aufrechtzuerhalten. Demgegenüber wird
während
des Niederleistungsbetriebs (Leerlaufbetriebs) die kleinste Menge Abwärme erzeugt,
die entfernt werden muss, um die feste Temperaturänderung über den
Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass aufrechtzuerhalten. Die Differenz zwischen
der höchsten
und der niedrigsten Durchflussmenge kann zwei Größenordnungen betragen. Allerdings
ist es möglich,
dass die Reaktion der im Kühlmittelversorgungsteilsystem 30 genutzten
Komponenten nicht über
diesen Größenpegel
geändert
werden kann, während
weiter die gewünschte
feste Temperaturänderung über den
Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass aufrecht erhalten wird, da die Pumpe nicht
so weit heruntergestellt werden kann. Im Ergebnis wird bei niedrigen Leistungspegeln
ein Pulsieren des Kühlmittels
verwendet.
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Zusätzlich kann
die Bestimmung des geforderten Kühlmittelflussregimes
auch durch weitere Betriebsangelegenheiten des Brennstoffzellenstapels 22 und/oder
des Brennstoffzellensystems 20 beeinflusst werden. Zum
Beispiel können
sich während des
Betriebs des Brennstoffzellenstapels 22 innerhalb des Kühlmittelflusswegs
Gasblasen wie etwa H2 oder Luft bilden.
Diese Gasblasen könnten
potentiell innerhalb des Kühlmittelflusswegs
eingeschlossen werden und die Fähigkeit
des Kühlmittels
zum Entfernen von Wärme
aus dem Brennstoffzellenstapel beeinflussen. Darüber hinaus können diese
Gasblasen schwierig zu entfernen sein. Während des Hochleistungsbetriebs
reicht die Kühlmitteldurchflussmenge üblicherweise
aus, um die Gasblasen aus dem Kühlmittelflussweg
zu entfernen. Dagegen kann die geforderte Kühlmitteldurchflussmenge zum
Aufrechterhalten der Temperaturdifferenz über den Kühlmittelflussweg vom Einlass
zum Auslass bei dem festen Pegel während des Niederleistungsbetriebs
unzureichend sein, um die Gasblasen zu entfernen. Dementsprechend
kann es erwünscht
sein, unabhängig
von dem Betriebsleistungspegel des Brennstoffzellenstapels eine
minimale Kühlmitteldurchflussmenge
zu haben, die ausreicht, um die Gasblasen aus dem Kühlmittelflussweg
zu entfernen.
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Im
Ergebnis dieser Notwendigkeiten liefern das Modell und die Nachschlagetabelle
verschiedene Flussregimes, um diese verschiedenen Notwendigkeiten
zu erfüllen.
Genauer liefern das Modell und die Nachschlagetabelle verschiedene
Flussregimes, die auf dem Betriebsleistungspegel des Brennstoffzellenstapels 22 basieren.
Das Modell und die Nachschlagetabelle liefern das geforderte kontinuierliche Kühlmittelflussregime
oder Impulskühlmittelflussregime/diskontinuierliche
Kühlmittelflussregime,
um die gewünschte
Kühlmitteltemperaturänderung
zu erzielen, die die Flussgeschwindigkeit aufrechterhält, die ausreicht,
um Gasblasen aus dem Kühlmittelflussweg
zu entfernen, und die die Reaktionszeiten der verschiedenen Komponenten
berücksichtigt.
Außerdem
kann während
des Systembetriebs die Rückkopplung
der abgetasteten Kühlmittelauslasstemperatur
verwendet werden, um die Kühlmitteldurchflussmenge
und die Impulsparameter fein abzustimmen.
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Wenn
z. B. der Leistungspegel, wie im Entscheidungsblock 132 angegeben
ist, größer als
ein Schwellenwert (z. B. 0,3 A/cm2) ist,
bestimmen das Modell und die Nachschlagetabelle, wie im Block 134 angegeben
ist, eine geforderte kontinuierliche Kühlmitteldurchflussmenge, um
den gewünschten
Kühlmitteltemperaturbereich
aufrechtzuerhalten. Die geforderte kontinuierliche Kühlmitteldurchflussmenge hat
eine Geschwindigkeit, die ausreicht, um die Gasblasen aus dem Kühlmittelflussweg
zu entfernen. Wenn im Gegensatz dazu der Leistungspegel, wie im Entscheidungsblock 132 angegeben
ist, gleich oder unter dem Schwellenwert liegt, bestimmen das Modell
und die Nachschlagetabelle, wie im Block 136 angegeben
ist, eine geforderte Impulsfrequenz und -größe, um die gewünschte Kühlmitteltemperaturänderung über den
Kühlmittelflussweg
vom Einlass zum Auslass aufrechtzuerhalten. Die Größe des Impulses
ist ein Wert, der ausreicht, um die Gasblasen aus dem Kühlmittelflussweg
zu entfernen. Die Frequenz, mit der der Impuls des Kühlmittelstroms
durch den Kühlmittelflussweg
fließt,
stellt die Bewegung von ausreichend Abwärme sicher, um die Kühlmitteltemperaturänderung über den
Flusswert bei dem festen Wert zu erhalten. Zum Beispiel können das
Modell und die Nachschlagetabelle ein Impulsflussregime liefern,
das für
eine Sekunde eine Größe gleich fünf (5) Litern
pro Minute pro 300 cm2 Platte und für zwei Sekunden
keinen Fluss verlangt. Während
der Leistungspegel des Brennstoffzellenstapels 22 abnimmt,
nimmt die Dauer der Perioden ohne Fluss zu. Im Gegensatz dazu nehmen
die Perioden ohne Kühlmittelfluss
ab, während
der Leistungspegel zunimmt. Falls die Dauer zu groß ist, kann
das Profil der relativen Feuchtigkeit durch den gesamten Brennstoffzellenstapel
das gewünschte übersteigen,
wobei die Temperaturänderung über den
Kühlmittelflussweg vom
Einlass zum Auslass ebenfalls von dem gewünschten festen Wert abweichen
kann. Das Impulsregime berücksichtigt
auch die Reaktionszeit der Komponenten des Kühlmittelversorgungsteilsystems 30.
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Wie
im Block 138 angegeben ist, wird das Flussregime unabhängig von
der Bestimmung eines kontinuierlichen Kühlmittelflussregimes oder eines Impulskühlmittelflussregimes
an die Steuereinheit übermittelt.
Die Steuereinheit 32 stellt daraufhin die Kühlmitteldurchflussmenge
so ein, dass das geforderte Flussregime erzielt wird und die Temperaturänderung über den
Kühlmittelweg
auf dem gewünschten
Wert gehalten wird.
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Wenn
das Flussregime wieder anhand der in 1 gezeigten
Mechanisierung der ersten Ausführungsform
ein kontinuierlicher Kühlmittelfluss
ist, weist die Steuereinheit 32 die Pumpe 64 an,
mit einer Geschwindigkeit zu arbeiten, die ausreicht, um die geforderte
Kühlmitteldurchflussmenge
für den
Kühlmittelflussweg
zu liefern. Wenn die Pumpe 64 die geforderte Durchflussmenge
erzeugen kann, wird das Stapelumgehungsventil 68 betätigt, um
zu verhindern, dass irgendein Kühlmittel
durch die Umgehungsschleife 70 fließt. Falls die geforderte Durchflussmenge
niedriger als die minimale Durchflussmenge ist, zu der die Pumpe 64 fähig ist,
kann die Pumpe 64 bei ihrer minimalen (oder einer höheren) Durchflussmenge
betrieben werden und das überschüssige Kühlmittel über den
Betrieb des Stapelumgehungsventils 68 durch die Stapelumgehungsschleife 70 umgeleitet
werden. Die Verwendung des Stapelumgehungsventils 68 und
der Stapelumgehungsschleife 70 kann auch erwünscht sein,
falls es bevorzugt ist, den Betrieb der Pumpe 64 wie etwa aus
Effizienzgründen
im Wesentlichen konstant zu halten und irgendwelchen überschüssigen Kühlmittel fluss
durch die Umgehungsschleife 70 umzuleiten. Das Endergebnis
ist, dass die geforderte Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Kühlmittelflussweg des
Brennstoffzellenstapels 22 erzielt wird.
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Wenn
das Modell oder die Nachschlagetabelle ein Impulsflussregime vorschreibt,
wird die Pumpe 64 durch die Steuereinheit 32 angewiesen, mit
einer Durchflussmenge zu arbeiten, die die geforderte Größe für den Kühlmittelfluss
durch den Brennstoffzellenstapel 22 erfüllt. Das Umgehungsventil 68 wird
wahlweise betätigt,
um zuzulassen, dass der gesamte Kühlmittelstrom oder ein Teil
davon für
die geforderte Dauer (Flussdauer) durch den Kühlmittelflussweg fließt und dass
der geforderte Kühlmittelstrom
für die
geforderte Dauer (Dauer ohne Fluss) durch die Stapelumgehungsschleife 70 fließt. Auf diese
Weise kann die Pumpe 64 kontinuierlich betrieben werden,
um die geforderte Kühlmitteldurchflussmenge
zu liefern, während
das Umgehungsventil 68 den Kühlmittelfluss wahlweise entweder
durch den Kühlmittelflussweg
oder durch die Stapelumgehungsschleife 70 anweist, um ihn
an das durch das Modell oder durch die Nachschlagetabelle bestimmte geforderte
Flussregime anzupassen.
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Anhand
von 2 ist nun eine zweite bevorzugte Ausführungsform
der Mechanisierung eines Brennstoffzellensystems 20' veranschaulicht,
mit dem die Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung genutzt werden
kann. Das Brennstoffzellensystem 20' nutzt eine andere Mechanisierung
für das
Kühlmittelversorgungsteilsystem 30', als sie in
dem in 1 gezeigten Brennstoffzellensystem 20 genutzt wird.
Der Hauptunterschied ist, dass das Kühlmittelversorgungsteilsystem 30' weder ein Stapelumgehungsventil
noch eine Stapelumgehungsschleife umfasst. Dementsprechend ist die
Steuerung des Kühlmittelversorgungsteilsystems 30', um das geforderte Flussregime
zu erfüllen,
anders. Bei dieser Mechanisierung ist die Pumpe 64' so bemessen,
dass sie sowohl die minimale kontinuierliche Kühlmit teldurchflussmenge als
auch die maximale kontinuierliche Durchflussmenge liefert, die ausreichen,
um während
des Nennbetriebs die feste Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass
zum Auslass aufrechtzuerhalten. Außerdem ist die Pumpe 64' so beschaffen,
dass sie periodisch ein- und ausgeschaltet wird, um die Impulskühlmittelflussregime-Anforderungen
zu erfüllen.
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Wenn
das Flussregime vorschreibt, dass durch den Kühlmittelflussweg ein kontinuierlicher Kühlmittelfluss
zugeführt
wird, weist die Steuereinheit 32' die Pumpe 64' an, mit einer
Geschwindigkeit zu arbeiten, die ausreicht, um die geforderte kontinuierliche
Kühlmitteldurchflussmenge
zu liefern. Wenn das Flussregime vorschreibt, dass der Kühlmittelfluss
gepulst ist, weist die Steuereinheit 32' die Pumpe 64' an, in den
geeigneten Intervallen, um das geforderte Pulsieren zu erfüllen, periodisch
ein- und auszuschalten. Außerdem
weist die Steuereinheit 32' die
Pumpe 64' an,
mit einer Geschwindigkeit zu arbeiten, die ausreicht, um die gewünschte Größe des Kühlmittelflusses
zu liefern. Bei dieser Mechanisierung berücksichtigen die Größe und die
Dauer des Pulsierens und die Dauer ohne Kühlmittelfluss die Reaktionszeit
der Pumpe 64'.
Das heißt,
die Pumpe 64' braucht
eine bestimmte Zeitdauer, um von keinem Fluss zu der geforderten
Durchflussmenge und von der geforderten Durchflussmenge zum Fluss
null zu gehen.
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Somit
kann die Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung mit einem Brennstoffzellensystem 20' mit einem Kühlmittelversorgungsteilsystem 30' genutzt werden,
das eine einzige Pumpe nutzt, um sowohl eine kontinuierliche Durchflussmenge
als auch eine diskontinuierliche Durchflussmenge zu liefern, um
unabhängig
vom Leistungspegel des Betriebs des Brennstoffzellenstapels die
feste Temperaturänderung
durch den Kühlmittelflussweg
aufrechtzuerhalten.
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Anhand
von 3 ist nun die dritte bevorzugte Ausführungsform
einer Mechanisierung des Brennstoffzellensystems 20'' veranschaulicht, mit dem die Steuerstrategie
der vorliegenden Erfindung genutzt werden kann. Das Kühlmittelversorgungsteilsystem 30'' des Brennstoffzellensystems 20'' unterscheidet sich von den Mechanisierungen,
die in der ersten und in der zweiten Ausführungsform verwendet werden,
die in den 1 und 2 gezeigt
sind. Genauer werden in dieser Mechanisierung zwei getrennte Pumpen 90'', 92'' genutzt,
um die geforderten Flussregimes zu erfüllen. Die erste Pumpe 90" ist so beschaffen,
dass sie die kontinuierliche Durchflussmenge des Kühlmittels
liefert, während
die zweite Pumpe 92'' so beschaffen
ist, dass sie den diskontinuierlichen Kühlmittelfluss oder Impuls-Kühlmittelfluss liefert. Somit
ist die erste Pumpe 90'' von einem Typ,
der effizient eine kontinuierliche Durchflussmenge veränderlicher
Größe liefert,
während
die zweite Pumpe 92'' von dem Typ
ist, der effizient eine diskontinuierliche Durchflussmenge oder
Impulse der Durchflussmenge liefert. Zum Beispiel kann die erste Pumpe 90'' eine Kreiselpumpe mit variabler
Geschwindigkeit sein, während
die zweite Pumpe 92'' eine Verdrängerpumpe
mit variablen Volumen sein kann.
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In
Verbindung mit der Steuereinheit 32'' steht ein
Ventil 94'', das wahlweise
betreibbar ist, um das durch das Kühlmittelversorgungsteilsystem 30" fließende Kühlmittel
entweder zu der ersten Pumpe 90'' oder
zu der zweite Pumpe 92'' zu leiten.
Das erste und das zweite Absperrventil 96'', 97'' unterstromig der ersten bzw. zweiten
Pumpe 90'', 92'' verhindern den Rückfluss
durch die zugeordnete Pumpe, wenn die andere Pumpe arbeitet, um
dem Kühlmittelflussweg
den Kühlmittelfluss
zuzuführen.
Unterstromig der ersten bzw. zweiten Pumpe 90'', 92'' sind
Sensoren 98'', 99'' vorgesehen, die mit der Steuereinheit 32'' in Verbindung stehen. Die Sensoren 98'', 99'' liefern
an die Steuereinheit 32'' Informationen
wie etwa die durch jede Pumpe 90'', 92'' erzeugten Durchflussmengen.
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Wenn
das Flussregime bei dieser Mechanisierung einen kontinuierlichen
Fluss von Kühlmittel durch
den Kühlmittelflussweg
verlangt, weist die Steuereinheit 32'' das
Ventil 94'' an, das gesamte durch
das Kühlmittelversorgungsteilsystem 30'' fließende Kühlmittel zunächst zur
ersten Pumpe 90'' zu leiten.
Außerdem
weist die Steuereinheit 32'' die erste Pumpe 90'' an, mit einer ersten Geschwindigkeit zu
arbeiten, die die geforderte Kühlmitteldurchflussmenge
durch den Kühlmittelflussweg
innerhalb des Brennstoffzellenstapels 22'' zuführt. Wenn
das geforderte Flussregime erfordert, dass der Kühlmittelfluss durch den Kühlmittelflussweg
gepulst wird, schaltet die Steuereinheit 32'' den
Betrieb der ersten Pumpe 90'' ab und weist
das Ventil 94'' an, das gesamte durch
das Kühlmittelversorgungsteilsystem 30" fließende Kühlmittel
zur zweiten Pumpe 92'' zu leiten. Daraufhin
weist die Steuereinheit 32'' die zweite Pumpe 92'' an, das Kühlmittel wahlweise durch den Kühlmittelflussweg
des Brennstoffzellenstapels 22'' zu
pulsen. Um die Größe der Impulse
des durch den Brennstoffzellenstapel 22'' fließenden Kühlmittels
zu ändern,
kann das Volumen der zweiten Pumpe 92'' eingestellt
werden (kann z. B. der Hub eingestellt werden). Das heißt, durch
Einstellen des Volumens des Kühlmittels
in jedem Impuls der Pumpe 92'' kann die Menge
des der zweiten Pumpe 92'' durch jeden Impuls
zugeführten
Kühlmittels
eingestellt werden. Die Steuereinheit 32'' weist
die zweite Pumpe 92'' an, für die geforderte
Zeitdauer zu pulsen, die ausreicht, um die notwendige Abwärme aus
dem Brennstoffzellenstapel 22'' zu
entfernen und eine Flussgeschwindigkeit zu liefern, die ausreicht,
um Gasblasen zu entfernen. Die Steuereinheit 32'' weist die zweite Pumpe 92'' an, für die geforderte Zeitdauer
ohne Fluss im Leerlauf zu bleiben, wobei sie keinen Kühlmittelfluss durch
den Brennstoffzellenstapel 22'' liefert.
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Es
ist festzustellen, dass die zweite Pumpe 92'' keine
Verdrängerpumpe
zu sein braucht. Eher könnte
die zweite Pumpe 92'' eine Pumpe
mit kontinuierlichem Fluss wie etwa eine Kreiselpumpe, die so bemessen
ist, dass sie die niedrigeren Durchflussmengen (relativ zur Vollleistung)
liefert und schnell ein- und ausgeschaltet werden kann, um die geforderte
Durchflussmenge durch den Kühlmittelflussweg
zu pulsen, oder eine Kreiselpumpe, die in der Rückspeisebetriebsart arbeitet,
wobei die Rückspeisung
aussetzend ausgeschaltet wird, um dem Kühlmitaelimpuls zu liefern,
sein.
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Somit
schafft die Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung eine Einstellung
einer Kühlmitteldurchflussmenge
durch den Kühlmittelflussweg
eines Brennstoffzellenstapels, um die Kühlmitteltemperaturänderung
(und die Katodentemperaturänderung) über den
Kühlmittelflussweg
(und über
den Katodenflussweg) im Wesentlichen konstant zu halten, während sich
der Leistungspegel des Brennstoffzellenstapels ändert. Die Temperaturänderung
wird für den
spezifischen genutzten Brennstoffzellenstapel gewählt und
führt zu
einem Profil der relativen Feuchtigkeit, das ein Untertauchen und
ein Austrocknen der Membranen innerhalb der Brennstoffzellen verhindert.
Außerdem
ermöglicht
die Steuerstrategie den Betrieb des Brennstoffzellenstapels mit
hoher Stromdichte während
Nennbetriebsbedingungen. Außerdem
ermöglicht
die Steuerstrategie eine schnelle Rückkehr zum Betrieb mit hoher
Stromdichte, wenn eine Auslenakung außerhalb des Betriebsbereichs
mit hoher Stromdichte auftritt. Außerdem vermeidet die vorliegende
Erfindung große
Druckdifferenzen und/oder große
Temperaturdifferenzen, die die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit
des Brennstoffzellenstapels beeinflussen können. Die Kühlmitteldurchflussmenge durch
den Brennstoffzellenstapel kann nach Bedarf kontinuierlich und diskontinuierlich
oder pulsierend sein, um den Temperaturbereich auf einem festen
Pegel zu halten. Die Steuerstrategie kann mit einer Vielzahl von
Me chanisierungen für
ein Kühlmittelversorgungsteilsystem
realisiert werden. Darüber
hinaus kann die Steuerstrategie einen Algorithmus, der die Reaktion
des Betriebs des Brennstoffzellenstapels modelliert, oder eine Nachschlagetabelle,
die empirische Daten umfasst, die auf Standversuchen des Stapels
oder eines vergleichbaren Brennstoffzellenstapels basieren, nutzen.
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Die
Beschreibung der Erfindung ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft,
wobei Änderungen, die
nicht vom Wesen der Erfindung abweichen, im Umfang der Erfindung
liegen sollen. Zum Beispiel können
verschiedene Mechanisierungen für
das Kühlmittelversorgungsteilsystem
genutzt werden, ohne vom Erfindungsgedanken und Umfang der vorliegenden
Erfindung abzuweichen. Darüber
hinaus können
ebenfalls weitere Befeuchtungsvorrichtungen oder -mittel zum Befeuchten
des in den Brennstoffzellenstapel fließenden Katodenreaktanden genutzt
werden. Zusätzlich
können
auch weitere Drucksteuerungen für
den Auslassdruck des Katodenabflusses genutzt werden. Somit werden
diese Änderungen
nicht als Abweichung vom Erfindungsgedanken und Umfang der Erfindung
betrachtet.