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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Vorsehen von schnellem
und zuverlässigem Hochfahren
bzw. Starten von Brennstoffzellensystemen und insbesondere ein Verfahren
zum Vorsehen von schnellem und zuverlässigem Starten von Brennstoffzellensystemen,
welches das Verbinden einer Hilfslast mit dem Brennstoffzellenstapel
beim Start umfasst, bis eine vorbestimmte minimale Zellenspannung
von einer Brennstoffzelle in dem Stapel erreicht ist oder eine vorbestimmter
Zeitspanne verstrichen ist.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Wasserstoff
ist ein sehr interessanter Brennstoff, da er sauber ist und zum
effizienten Erzeugen von elektrischem Strom in einer Brennstoffzelle
verwendet werden kann. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine
elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit
einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode erhält Wasserstoffgas und
die Kathode erhält
Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten,
um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen bewegen
sich durch den Elektrolyten zur Kathode. Die Protonen reagieren
mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser
zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht den Elektrolyten
passieren und werden daher zum Erbringen von Arbeit durch eine Last
geleitet, bevor sie zur Kathode geschickt werden.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen
(PEMFC, vom engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cells) sind eine
gängige
Brennstoffzelle für Fahrzeuge.
Die PEMFC umfasst im Allgemeinen eine Protonen leitende Festpolymer-Elektrolytmembran,
beispielsweise eine Perfluorsulfonsäure-Membran. Die Anode und Kathode umfassen üblicherweise fein
verteilte katalytische Partikel, für gewöhnlich Platin (Pt), die von
Kohlenstoffpartikeln getragen werden und mit einem Ionomer gemischt
sind. Die katalytische Mischung ist auf gegenüberliegenden Seiten der Membran
aufgebracht. Die Kombination aus der katalytischen Mischung der
Anode, der katalytischen Mischung der Kathode und der Membran bildet
eine Membranelektrodenanordnung (MEA, vom engl. Membrane Electrode
Assembly).
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In
einem Brennstoffzellenstapel werden zum Erzeugen der Sollleistung üblicherweise
mehrere Brennstoffzellen kombiniert. Bei dem vorstehend erwähnten Brennstoffzellenstapel
für Kraftfahrzeuge kann
der Stapel zweihundert oder mehr Brennstoffzellen umfassen. Der
Brennstoffzellenstapel erhält ein
Kathodenreaktandengas, üblicherweise
einen mittels eines Verdichters durch den Stapel zwangsweise geleiteten
Luftstrom. Von dem Stapel wird nicht der gesamte Sauerstoff aufgebraucht,
und ein Teil der Luft wird als Kathodenabgas ausgestoßen, das Wasser
als Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel
nimmt auch ein Anoden-Wasserstoffreaktandengas auf, das in die Anodenseite des
Stapels strömt.
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Ein
Brennstoffzellenstapel umfasst typischerweise eine Reihe von Bipolarplatten,
die zwischen den mehreren MEAs in dem Stapel positioniert sind,
wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert
sind. Die Bipolarplatten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite
für angrenzende
Brennstoffzellen im Stapel. An der Anodenseite der Bipolarplatten
sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen,
die das Anodenreaktandengas zu der jeweiligen MEA strömen lassen. Kathodengasströmungskanäle sind
an der Kathodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die das Kathodenreaktandengas
zu der jeweiligen MEA strömen
lassen. Eine Endplatte umfasst Anodengas-Strömungskanäle und die andere Endplatte
umfasst Kathodengas-Strömungskanäle. Die
Bipolarplatten und die Endplatten bestehen aus einem leitenden Material,
wie zum Beispiel Edelstahl oder einem leitenden Verbundstoff. Die
Endplatten leiten den von den Brennstoffzellen erzeugten elektrischen Strom
aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten umfassen auch Strömungskanäle, durch
die ein Kühlfluid
strömt.
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Im
Stand der Technik wurde vorgeschlagen, in einem Brennstoffzellensystem,
das geteilte Stapel verwendet, ein Wechseln der Stapelreihenfolge
oder ein Umschalten der Anodenströmung vorzusehen. Insbesondere
werden Ventile und Installation in dem System so vorgesehen, dass
in zyklischer Weise das aus einem ersten Unterstapel austretende
Anodenabgas zu der Anodenseite eines zweiten Unterstapels geleitet
wird und das aus dem zweiten Unterstapel austretende Anodenabgas
zu der Anodenseite des ersten Unterstapels geleitet wird.
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Wenn
ein Brennstoffzellensystem abgeschaltet wird, verbleibt nicht reagiertes
Wasserstoffgas in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels. Dieses
Wasserstoffgas kann durch oder über
die Membran diffundieren und mit dem Sauerstoff in der Kathodenseite
reagieren. Wenn Wasserstoffgas zur Kathodenseite diffundiert, wird
der Gesamtdruck an der Anodenseite des Stapels auf einen Wert unter dem
Umgebungsdruck gesenkt. Diese Druckdifferenz saugt Luft aus der
Umgebung in die Anodenseite des Stapels. Wenn die Luft in die Anodenseite
des Stapels eindringt, erzeugt sie eine Wasserstoff/Luft-Front,
die einen Kurzschluss in der Anodenseite erzeugt, was zu einem Querstrom
von Wasserstoffionen aus dem mit Wasserstoff gefluteten Teil der Anodenseite
zu dem mit Luft gefluteten Teil der Anodenseite führt. Dieser
hohe Ionenstrom verbunden mit dem hohen Querionenwiderstand der
Membran erzeugt einen signifikanten Querpotentialabfall (~0,5 V) über der
Membran. Dies erzeugt ein lokales hohes Potential zwischen der Kathodenseite
gegenüber dem
luftgefüllten
Teil der Anodenseite und angrenzend zum Elektrolyt, was eine schnelle
Kohlenstoffkorrosion antreibt und ein Dünnerwerden der Kohlenstoffschicht
bewirkt. Dies reduziert den Träger
der Katalysatorpartikel, was die Leistung der Brennstoffzelle verringert.
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Bei
dem nächsten
Systemstart werden unter der Annahme, dass genügend Zeit verstrichen ist,
sowohl die Kathoden- als auch die Anodenströmungskanäle allgemein mit Luft gefüllt. Wenn
bei Systemstart Wasserstoff in die Anodenströmungskanäle eingeleitet wird, schiebt
der Wasserstoff die Luft in den Anodenströmungskanälen heraus, was ebenfalls eine
Wasserstoff/Luft-Front erzeugt, die sich durch die Anodenströmungskanäle bewegt.
Die Wasserstoff/Luft-Front bewirkt eine katalytische Reaktion entlang
der Länge
der Membran in jeder Brennstoffzelle, wenn sich die Front bewegt,
die kombiniert mit der Reaktion über
der Membran ein hohes elektrisches Spannungspotential erzeugt. Dieses
kombinierte elektrische Spannungspotential ist hoch genug, um den
Katalysator und die Kohlenstoffpartikel, an denen der Katalysator
ausgebildet ist, stark zu degradieren, was die Lebensdauer der MEAs
in dem Brennstoffzellenstapel verkürzt. Insbesondere ist die durch
die Wasserstoff/Luft-Front erzeugte Reaktion kombiniert mit der
normalen Brennstoffzellenreaktion um Größenordnungen stärker als
die Brennstoffzellenreaktion über
der Membran allein. Es wurde zum Beispiel gezeigt, dass ohne Beheben
der Degradationswirkungen der Wasserstoff/Luft-Front bei Systemstart
nur etwa 100 Abschalt- und Einschaltzyklen erforderlich sind, um
den Brennstoffzellenstapel auf diese Weise zu zerstören.
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Im
Stand der Technik wurde vorgeschlagen, die Degradationswirkung der
Wasserstoff/Luft-Front bei Systemstart durch schnellstmögliches
Drücken von
Wasserstoff durch die Anodenströmungskanäle zu vermindern,
um die Zeit zu verkürzen,
bei der die Degradation eintritt. Es wurde ferner vorgeschlagen, Wasserstoff
bei einer langsamen Rate in die Anodenströmungskanäle einzuleiten, um ein aktives
Mischen der Luft und des Wasserstoffs vorzusehen, um die Wasserstoff/Luft-Front
zu beseitigen. Es wurde im Stand der Technik auch vorgeschlagen,
die Brennstoffzelle vor dem Entfernen des Wasserstoffs aus den Anodenströmungskanälen zu kühlen. Alle
diese Lösungen
haben aber nicht die Wasserstoff/Luft-Degradation ausreichend gemindert, um
eine erwünschte
Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels vorzusehen. Insbesondere
behebt das schnelle Bewegen der Wasserstoff/Luft-Front nicht vollständig die
Degradation des Katalysators und erfordert übergroße Rohre und andere Komponenten
zum schnellen Entfernen der Luft aus den Anodenströmungskanälen. Das
langsame Einleiten des Wasserstoffs beim Start hat den Nachteil,
dass es eine Umwälzpumpe
erfordert, die mehrere Minuten braucht, um die Luft vollständig aus
den Anodenströmungskanälen zu entfernen.
Weiterhin ist das Erfordern einer präzisen Steuerung der Wasserstoffmenge
in die Anodenströmungskanäle schwierig
zu implementieren.
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Im
Stand der Technik wurde auch vorgeschlagen, über dem Brennstoffzellenstapel
eine Last vorzusehen, beispielsweise einen Widerstand, um das durch
die Wasserstoff/Luft-Front erzeugte elektrische Potential zu senken.
Eine äußerst niedrige
Widerstandslast erfordert aber elektrische Kompo nenten mit einer
hohen Belastbarkeit. Ferner kann ein Strömen und Ausgleichen zwischen
Zellen in einem Brennstoffzellenstapel zu Korrosion bei den Zellenanoden
führen.
Weiterhin ist in den meisten Ausführungsformen ein Widerstand
typischerweise allein nicht ausreichend, um Kohlenstoffkorrosion
zu minimieren.
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Das
ideale Verfahren für
einen Brennstoffzellensystemstart rein im Hinblick auf Geschwindigkeit und
Zuverlässigkeit
wäre das
Strömen
von Wasserstoff bei einer sehr hohen Strömungsgeschwindigkeit parallel
durch die geteilten Stapel und dann aus dem Anodenablass heraus.
Zuverlässigkeit
ist eine Funktion der Zellenspannung, und die Zellen beim Start, die
signifikante Luft in den Anodenströmungskanälen enthielten, könnten eine
sehr niedrige, möglicherweise
negative, Zellenspannung bewirken. Die Strömungsgeschwindigkeit wäre hoch
genug, dass jegliches Wasser, das die Anodenströmungsfelder blockiert, aus
dem Stapel gedrückt
würde.
Ferner wäre jegliche
Hochfahr- bzw. Startdegradation von der Wasserstoff/Luft-Front gering,
da die Frontgeschwindigkeit so schnell wäre. Ein Problem besteht jedoch darin,
dass das Anodenabgas eine relativ hohe Wasserstoffkonzentration
aufweisen kann, was möglicherweise
eine brennbare Mischung bewirkt. Solch hohe Anodenströmungsgeschwindigkeiten
würden deshalb
zusätzliche
Systemkomponenten erfordern, beispielsweise Brenner, Akkumulatoren,
etc., was zu einem komplexen System führen würde.
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Im
Stand der Technik wurde vorgeschlagen, den Anodenverteiler bei Systemstart
mit Wasserstoff zu füllen
und dann Wasserstoffgas gleichmäßig durch
die Anodenströmungskanäle strömen zu lassen.
Es wurde jedoch gezeigt, dass diese Art von Entfernen allein kein
gleichmäßiges Wasserstoffströmen durch
die Zellen vorsieht, so dass zusätzliche Maßnahmen
erforderlich sein können.
Dies ist auf die Luft zurückzuführen, die,
besonders beim Kaltstart, immer noch in den Wasserstoffkanälen vorhanden ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der Lehre
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Vorsehen eines
schnellen und zuverlässigen
Starts eines Brennstoffzellensystems offenbart. Das Verfahren umfasst
das Einschalten eines Verdichters, der Kathodenluft an der Kathodenseite
eines Brennstoffzellenstapels bereitstellt, um Verdünnungsluft
für das
Wasserstoffabgas bereitzustellen. Das Verfahren ermittelt dann,
ob der Stapel mit Luft gefüllt
ist, und führt,
wenn dies der Fall ist, ein Stapelspülen mit Wasserstoffgas aus.
Das Verfahren beginnt dann ein Wasserstoffströmen zu der Anodenseite des
Stapels und ein Kathodenluftströmen
zu der Kathodenseite des Stapels. Das Verfahren verwendet dann eine
Stapelspannungsreaktion auf eine Last, um zu beurteilen, ob Wasserstoff und
Sauerstoff ausreichend zu allen Brennstoffzellen verteilt werden,
indem eine Hilfslast mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden wird,
bis eine vorbestimmte minimale Zellenspannung erreicht ist oder eine
erste vorbestimmter Zeitspanne verstrichen ist. Das Verfahren verbindet
dann den Stapel mit Systemkomponenten, um den Stapel auf einem vorbestimmten
Maximalpegel über
eine bestimmte Zeitspanne zu belasten. Dann ermittelt das Verfahren,
ob eine minimale Zellenspannung in dem Stapel auf eine erste vorbestimmte
Spannung gefallen ist, und ermittelt, wenn dies nicht der Fall ist,
ob der Stapel eine maximal zulässige
Leistung erreicht hat. Wenn die minimale Zellenspannung den ersten
vorbestimmten Spannungswert erreicht hat, verringert das Verfahren
dann die maximal zulässige
Leistung auf unter den ersten vorbestimmten Spannungswert, ermittelt,
ob die minimale Zellenspannung in dem Stapel unter einer zweiten
vorbestimmten Spannung liegt, oder ermittelt, ob die minimale Zellenspannungs-Abfallrate höher ist
als eine vorbestimmte Spannungs-Abfallrate. Wenn keine dieser Bedingungen
erfüllt
ist, kehrt das Verfahren zum Belasten des Stapels mit Systemkomponenten
zurück.
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Weitere
Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung
und den beigefügten
Ansprüchen
in Verbindung mit den Begleitzeichnungen hervor.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das
Umschalten der Anodenströmung
nutzt; und
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2A und 2B sind
Flussdiagramme, die einen Prozess zum Vorsehen von schnellem und zuverlässigem Brennstoffzellenstart
gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigen.
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Eingehende Beschreibung der
Ausführungsformen
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Die
folgende Beschreibung der Ausführungsformen
der Erfindung, die auf ein Verfahren zum schnellen und zuverlässigen Start
eines Brennstoffzellensystems gerichtet sind, ist lediglich beispielhafter
Natur und soll die Erfindung, ihre Anwendungen oder Einsatzmöglichkeiten
in keiner Weise beschränken.
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1 ist
ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10 mit
einem ersten geteilten Brennstoffzellenstapel 12 und einem
zweiten geteilten Brennstoffzellenstapel 14. Ein Verdichter 16 liefert
an einer Kathodeneingangsleitung 18 Kathodeneingangsluft
durch ein normalerweise geschlossenes Kathodeneingangsventil 20 zu
den geteilten Stapeln 12 und 14. Das Kathodenabgas
wird von dem geteilten Stapel 12 an Leitung 24 abgegeben,
und das Kathodenabgas wird von dem geteilten Stapel 14 an
Leitung 26 abgegeben, wobei das Kathodenabgas in einer
einzigen Kathodenausgangsleitung 28 vereint wird. Ein normalerweise
geschlossenes Kathodengegendruckventil 30 steuert das Strömen des
Kathodenabgases durch die Leitung 28. Eine Kathodenumgehungsleitung 32 zwischen
der Eingangsleitung 18 und der Ausgangsleitung 28 ermöglicht es
der Kathodeneingangsluft, die Stapel 12 und 14 zu
umgehen. Ein normalerweise geschlossenes Umleitventil 34 steuert,
ob die Kathodenluft die Stapel 12 und 14 umgeht.
Wenn die Ventile 20 und 30 geschlossen sind und
das Ventil 34 offen ist, dann umgeht Luft von dem Verdichter 16 die
Stapel 12 und 14. Typischerweise ist eine (nicht
dargestellte) Kathodenbefeuchtungseinheit an einer geeigneten Stelle
in der Kathodeneingangsleitung 18 vorgesehen.
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In
dieser nicht einschränkenden
Ausführungsform
nutzen die geteilten Stapel 12 und 14 ein Umschalten
der Anodenströmung,
wobei das Anodenreaktandgas bei einem vorbestimmten Zyklus in einer
Weise durch die geteilten Stapel 12 und 14 vor und
zurück
strömt,
die dem Fachmann gut bekannt ist. In abwechselnder Folge injiziert
ein Injektor 38 Wasserstoffgas aus einer Wasserstoffgasquelle 40 durch
die Anodenleitung 42 zu dem geteilten Stapel 12,
und ein Injektor 44 injiziert Wasserstoffgas aus der Wasserstoffquelle 40 durch
eine Anodenleitung 48 zu dem geteilten Stapel 14.
Eine Verbindungsleitung 54 verbindet die Anodenseiten der
geteilten Stapel 12 und 14.
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Ein
Wasserabscheider 60 ist mit der Verbindungsleitung 54 verbunden
und sammelt Wasser in dem Anodengasstrom zwischen den geteilten Stapeln 12 und 14.
Es kann ein normalerweise geschlossenes Ablassventil 62,
das regelmäßig geöffnet wird, um
das Wasser zu der Kathodenabgasleitung 28 an Leitung 64 abzulassen,
verwendet werden. Ferner kann ein Anodenabgasspülventil 66 in der
Verbindungsleitung 54 vorgesehen werden.
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Wie
vorstehend erläutert
ist es wünschenswert,
die Anodenseite der geteilten Stapel 12 und 14 regelmäßig zu entlüften, um
Stickstoff zu entfernen, der andernfalls den Wasserstoff verdünnen und
die Zellenleistung beeinträchtigen
kann. Zu diesem Zweck werden normalerweise geschlossene Entlüftungsventile 50 und 52 vorgesehen.
Wenn eine Anodenentlüftung
angeordnet wird, wird das Entlüftungsventil 50 oder 52 geöffnet und
das abgelassene Anodenabgas wird abhängig von der Richtung, in die
das Wasserstoffgas gerade strömt,
zur Kathodenabgasleitung 28 geleitet. Insbesondere wenn
das Wasserstoffgas bei Auslösen
eines Entlüftens
von der Quelle 40 in den geteilten Stapel 12 injiziert
wird, dann wird das Entlüftungsventil 52 geöffnet. Wenn
analog das Wasserstoffgas von der Quelle 40 in den geteilten Stapel 14 injiziert
wird, wenn ein Entlüften
ausgelöst wird,
dann wird das Entlüftungsventil 50 geöffnet. Das
Strömungsumschalten
erfolgt typischerweise mehrmals während einer normalen Entlüftungsdauer, so
dass die Entlüftungsventile 50 und 52 mehrmals rechtzeitig
mit dem Strömungsumschalten
geöffnet und
geschlossen werden müssen.
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Die
Brennstoffzellenstapel 12 und 14 erzeugen elektrischen
Strom. Während
normalen Stapelbetriebs wird der von den Stapeln 12 und 14 erzeugte elektrische
Strom zum Antreiben von Systemlasten verwendet, beispielsweise eines
elektrischen Traktionssystems (ETS) 56 an einem Fahrzeug.
Während einer
Abschaltfolge kann der von den Stapeln 12 und 14 erzeugte
elektrische Strom zum Laden einer Batterie 58 verwendet werden
oder durch andere Systemkomponenten dissipiert werden und dann durch einen
Widerstand 68 dissipiert werden.
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Bei
einer Systemabschaltfolge wird der Verdichter 16 angehalten
und die Ventile 20 und 30 werden geschlossen,
um die Kathodenseite der Stapel 12 und 14 abzudichten.
Das Strömen
von Wasserstoff wird fortgeführt,
so dass in den Stapeln 12 und 14 verbleibender
Sauerstoff aufgebraucht wird. Wenn die Stapelleistung auf einen
vorbestimmten Wert fällt,
wird der von den geteilten Stapeln 12 und 14 erzeugte
elektrische Strom von dem ETS 56 zur Batterie 58 geschaltet.
Wenn die Stapelleistung auf einen weiteren vorbestimmten Wert fällt, wird
die Stapellast zu dem Widerstand 68 geschaltet. Sobald
die elektrische Spannung sich insbesondere auf eine feste Rest-
bzw. Grenzspannung verschlechtert hat, wird die Stapellast zu dem
Widerstand 68 geschaltet. Die Grenzspannung könnte der
untere Grenzwert eines (nicht dargestellten) Gleichspannungswandlers oder
der untere Grenzwert einer Stromvorrichtung sein. Das Ziel der Batterielast
ist das Aufbrauchen und/oder Speichern von Energie, die ansonsten
verloren gehen würde.
Es mindert auch die Energieverbrauchsanforderungen der Widerstandslast.
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Sobald
der Sauerstoff aus den geteilten Stapeln 12 und 14 aufgebraucht
ist, wird das Strömen von
Wasserstoff abgeschaltet und die Ventile 50, 52, 62 und 66 werden
geschlossen, um die Anodenseite der Stapel 12 und 14 abzudichten.
Wenn das System 10 auf diese Weise abgeschaltet ist, umfassen
die Stapel 12 und 14 eine N2/H2-Mischung sowohl in der Kathodenseite als
auch in der Anodenseite. Im Laufe der Zeit leckt Luft in die Stapel 12 und 14,
und der Wasserstoff in dem Stapel 12 und 14 verzehrt
zunächst
den Sauerstoff. Zudem leckt der Wasserstoff langsam aus den Stapeln 12 und 14.
Dadurch verändert
sich die Zusammensetzung der Gase in den Stapeln 12 und 14 im
Laufe der Zeit zwischen einem wasserstoffreichen Gemisch in Stickstoff
und Wasser zu einem Luftgemisch.
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Die
Wasserstoffmenge, die zum Spülen
der geteilten Stapel 12 und 14 verwendet wird,
kann beruhend auf dem Volumen der Anodenseite der Stapel 12 und 14,
der Temperatur der Stapel 12 und 14 und dem Druck
in den geteilten Stapeln 12 und 14 berechnet werden.
Der Wasserstoffstrom in die Stapel 12 und 14 sollte
in etwa ein Anodenvolumen betragen. Wenn eine ungenügende Wasserstoffmenge
in den Stapel strömt,
könnten
einige der Brennstoffzellen weiterhin eine H2/O2-Front enthalten. Wenn zu viel Wasserstoff
in den ersten Stapel strömt,
wird überschüssiger Wasserstoff
an das Abgas verschwendet und könnte
durch Verdichtung in den zweiten Stapel eindringen, was zu einer
stagnierenden Wasserstoff/Luft-Front
führt,
die eine übermäßige Degradation
der elektrischen Spannung bewirkt. Das Kreislaufvolumen für jeden
der Stapel 12 und 14 wird berechnet, und diese
Information wird während dem
Start mit der Wasserstoffströmungsgeschwindigkeit
kombiniert, um die Spülzeit
für den
ersten Stapel zu ermitteln.
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2A und 2B sind
Flussdiagramme 70, die ein Verfahren zum schnellen und
zuverlässigen
Start des Brennstoffzellensystems 10, insbesondere während Kaltstarts,
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigen. Bei Kästchen 72 wird der
Verdichter 16 zum Zweck der Wasserstoffausgabeverdünnung eingeschaltet.
Der anfängliche
Teil des Systemstarts umfasst das Einschalten des Verdichters 16 zum
Bereitstellen von Verdünnungsluft
für Wasserstoff,
der sich in dem Abgas infolge der Startfolge sammelt. Der Algorithmus ermittelt
dann bei Entscheidungsraute 74, ob die geteilten Stapel 12 und 14 infolge
der Zeit, die sie abgeschaltet waren, mit Luft gefüllt sind
und löst,
wenn dies der Fall ist, bei Kästchen 76 ein
Stapelspülen
mit Hilfe eines Verteilerspülens
aus.
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Dies
sieht ein Verfahren zum Entfernen von Luft und Stickstoff aus dem
Verteiler der beiden Stapel 12 und 14 vor dem
Stapelspülen
vor. Nachdem der Verteiler gespült
wurde, sieht das Stapelspülen wie
vorstehend erläutert
eine große
Strömungsgeschwindigkeit
von Wasserstoffgas durch die Anodenströmungsfelder zum Minimieren
der Startdegradation aufgrund der Wasserstoff/Luft-Front, vor.
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Der
Algorithmus startet dann bei Kästchen 78 die
Anodenströmung
durch Öffnen
des Verteilerventils zu den geteilten Stapeln 12 und 14 auf
eine Weise von 50 zu 50, um die Anodenströmungskanäle mit Wasserstoffgas zu füllen. Bei
diesem Strömvorgang
werden beide Injektoren 38 und 44 gleichzeitig verwendet,
um Wasserstoffgas gleichmäßig durch die
geteilten Stapel 12 und 14 zu leiten. Alle großen Ventile
sind zu diesem Zeitpunkt geschlossen, um eine gut gesteuerte Wasserstoffeinspritzung
mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit
zu ermöglichen.
Die Ventile, die offen sind, weisen typischerweise eine kleine Düse auf,
oder es können
große
Ventile verwendet werden, die pulsweitenmoduliert werden, um effektiv
ein kleines Ventil bereitzustellen. Die Wasserstoffinjektoren 38 und 44 werden
typischerweise auf der Grundlage des Anodenauslassdrucks der geteilten
Stapel 12 und 14 gesteuert. In diesem Fall wechseln
die Injektoren 38 und 44 jedoch die Modi zu einer
Strömungssteuerung,
bei der der Strom so dosiert wird, dass er so hoch wie möglich ist,
ohne Abgasemissionen zu bewirken, die eine vorbestimmte Wasserstoffkonzentration überschreiten,
wenn sie mit dem Kathodenabgas gemischt werden. Deshalb würde die
Kathodenströmungsgeschwindigkeit
in Echtzeit auf der Grundlage des Kathodenverdünnungsstroms unterschiedlich
sein.
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Wenn
der Stapel bei der Entscheidungsraute 74 nicht mit Luft
gefüllt
ist, überspringt
der Algorithmus bei dem Kästchen 76 den
Schritt des Stapel spülens
und rückt
direkt zu dem Schritt des Bereitstellens der Anodenströmung bei
Kästchen 78 vor.
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Gleichzeitig
sollte ein Spitzenanodendruck vorhanden sein, um die Injektoren 38 und 44 nach oben
zu begrenzen. Anders gesagt muss die Kathodenabgasströmungsgeschwindigkeit
bekannt sein, und die Anodenströmungsgeschwindigkeit
wird auf der Grundlage des Injektor-Schaltverhältnisses geschätzt. Die
Injektoren 38 und 44 sollten so gesteuert werden,
dass sie einen höchstmöglichen
Strom für Emissionen
auslösen,
die niedriger als der vorbestimmte Schwellenwert sind, und dass
der Anodendruck einen vorbestimmten Schwellenwert, beispielsweise
150 kPa, nicht überschreitet.
Die Dauer dieses Strömens
wird auf der Grundlage einer Nachschlagetabelle in der Software
ermittelt, die die Zeit seit dem letzten Abschalten als Eingabe
nimmt und eine besonders geringe Anzahl von Anodenvolumina von Wasserstoffgas
ausgibt, die strömen
sollen.
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Der
Algorithmus ermittelt dann bei Entscheidungsraute 80, ob
dies das erste Durchlaufen des Startkreislaufs ist und ob das anodenseitige
Spülen bei
Kästchen 76 übersprungen
wurde, was bedeutet, dass die letzte Abschaltzeit nicht zu weit
zurück
in der Vergangenheit liegt, wo die Anodenströmungskanäle noch signifikant mit Wasserstoffgas
gefüllt
sind. Wenn beide dieser Bedingungen erfüllt sind, lässt der Algorithmus bei Kästchen 82 für eine Zeit
der Anodenströmung,
beispielsweise die Hälfte,
die Kathodenluft um die Stapel 12 und 14 herum
strömen. Beim
Strömen
der Kathodenluft um die geteilten Stapel 12 und 14 herum
wird keine zusätzliche
Luft an der Kathodenseite zugegeben, die durch die Membranen zu
der Anodenseite dringen könnte,
was das Potential für
ein Beschädigen
der Wasserstoff/Luft-Front erhöhen
könnte.
Anders gesagt ist es wünschenswert,
Wasserstoffgas in die Anodenseite einzuleiten, bevor Luft in die
Kathodenseite eingeleitet wird, so dass Wasserstoff statt Luft durch
die Membran dringt, wodurch die Wasserstoff/Luft-Front an der Anodenseite
der Stapel 12 und 14 reduziert wird.
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Wenn
die Kathodenluft für
den vorbestimmten Anodenvolumenstrom um die Stapel 12 und 14 herum
geströmt
ist, lässt
der Algorithmus bei Kästchen 84 dann
die Kathodenluft für
den Rest der Anodenströmung
durch die Stapel 12 und 14 strömen. Wenn es nicht der erste
Durchlauf des Steuerkreislaufs ist oder das Stapelspülen bei
Kästchen 76 nicht erfolgte,
rückt der
Algorithmus direkt zum Strömen der
Kathodenluft durch die Stapel 12 und 14 bei Kästchen 86 vor.
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Als
Nächstes
fährt der
Algorithmus mit der Anodenströmung
fort und betätigt
bei Kästchen 88 den
mit den geteilten Stapeln 12 und 14 verbundenen Pull-Down-Widerstand 68 als
eine Last, bis eine der beiden Bedingungen erfüllt ist, nämlich, dass die minimale Zellenspannung
höher als
ein vorbestimmter Spannungswert, beispielsweise 700 mV, ist oder
eine vorbestimmte Zeitspanne, beispielsweise 10 Sekunden, verstrichen
ist. Durch Anlegen einer Last an die geteilten Stapel 12 und 14 kommt
es zu einem Spannungsabfall über
die Stapel 12 und 14, der eher der (nicht gezeigten)
Hochspannungsbusleitung entspricht, die an die Hochspannungsbatterie 58 in
dem System 10 angeschlossen ist. Insbesondere verwendet
der Algorithmus eine Stapelspannungsreaktion auf eine Last, um zu
beurteilen, ob Wasserstoff und Sauerstoff ausreichend zu allen Brennstoffzellen
des Stapels verteilt werden, indem eine Hilfslast mit dem Brennstoffzellenstapel
verbunden wird. Dieser Schritt ist eine der Möglichkeiten, durch die der
Algorithmus einen schnellen und zuverlässigen Start vorsieht, indem
er sicherstellt, dass die minimale Zellenspannung hoch genug ist
oder sich genug Wasserstoff in den Anodenströmungskanälen befindet, so dass der Betrieb
der Stapel 12 und 14 stabil ist. Wenn die Stapel 12 und 14 unbeschadet
sind und keine Probleme bestehen, rückt der Algorithmus sehr schnell
durch diese Schritte des Steuerkreises vor. Sind die geteilten Stapel 12 und 14 jedoch
signifikant gealtert oder aus irgendeinem anderen Grund degradiert,
wird die Zeitspanne, die der Algorithmus während der Startfolge wartet,
eine bessere Situation für
ein stabiles Starten der Stapel 12 und 14 vorsehen.
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Ist
die minimale Zellenspannung höher
als der vorbestimmte Spannungswert oder ist die vorbestimmte Zeitspanne
abgelaufen, schließt
der Algorithmus bei Kästchen 90 die
Stapelschütze
zu der Hochspannungsbusleitung, um zu ermöglichen, dass die Stapel 12 und 14 unter
den normalen Lasten des Systems 10 arbeiten. Der Algorithmus
belastet bei Kästchen 92 die
geteilten Stapel 12 und 14 für eine vorbestimmte Zeitspanne,
beispielsweise sieben Sekunden, mit so vielen Brennstoffzellensystemkomponenten
wie möglich,
bis zu der Maximalgrenze der geteilten Stapel 12 und 14,
um die geteilten Stapel 12 und 14 zu testen und
zu sehen, ob sie normal arbeiten.
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Der
Algorithmus ermittelt dann bei Entscheidungsraute 94, ob
die minimale Zellenspannung auf eine vorbestimmte Spannung, beispielsweise
400 mV, gesunken ist. Wenn die minimale Zellenspannung in einem
der geteilten Stapel 12 und 14 unter der vorbestimmten
Spannung liegt, dann ist die Zuverlässigkeit des Starts verringert.
Der Algorithmus rückt
dann vor, um bei Kästchen 96 den
maximalen elektrischen Strom, der von den geteilten Stapeln 12 und 14 gezogen
werden darf, in dem Versuch zu minimieren, die minimale Zellenspannung über den
vorbestimmten Wert anzuheben.
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Der
Algorithmus ermittelt bei Entscheidungsraute 98 ebenfalls,
ob eine minimale Zellenspannung unter eine andere niedrigere vorbestimmte Spannung,
beispielsweise 200 mV gefallen ist oder ob die minimale Zellenspannungs-Abfallrate
eine vorbestimmte Spannungsabfallrate, beispielsweise 100 mV/sec, überschreitet.
Wenn keine dieser beiden Bedingungen erfüllt ist, kehrt der Algorithmus
zu Kästchen 92 zurück, um den
geteilten Stapeln 12 und 14 eine weiter Möglichkeit
zu geben, ihre minimale Zellenspannung über den ersten vorbestimmten
Spannungswert zu erhöhen.
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Wenn
die minimale Zellenspannung bei Entscheidungsraute 94 nicht
niedriger ist als der erste vorbestimmte Spannungswert, dann können die
geteilten Stapel 12 oder 14 ordnungsgemäß arbeiten. Der
Algorithmus ermittelt dann bei Entscheidungsraute 100,
ob die von den geteilten Stapeln 12 und 14 maximal
erlaubte elektrische Leistung niedriger als ein vorbestimmter Wert,
beispielsweise 90 kW, ist. Wenn die maximale Stapelleistung unter
dem vorbestimmten Wert liegt, haben die geteilten Stapel 12 und 14 ihre
maximale Leistungsausgabe während der
Startfolge nicht schnell genug erhöht, was bedeutet, dass die
geteilten Stapel 12 und/oder 14 instabil sein
können.
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Wenn
bei Entscheidungsraute 98 die minimale Zellenspannung niedriger
ist als der zweite vorbestimmte Spannungswert oder die minimale
Zellenspannungs-Abfallrate höher
ist als die vorbestimmte Spannungs-Abfallrate oder die geteilten Stapel 12 und 14 bei
Entscheidungsraute 100 die zulässige maximale Leistung nicht
erreicht haben, ermittelt der Algorithmus bei Entscheidungsraute 102,
ob die Batterie 58 einen weiteren Kreislauf durch die Startfolge unterstützen kann.
Wenn ausreichend Batterieleistung vorhanden ist und die Anzahl von
Wiederholungen durch den Kreislauf niedriger war als ein vorbestimmter
Wert, beispielsweise 8, werden die Stapelschütze bei Kästchen 104 geöffnet. Ferner
beschränkt
der Algorithmus bei Kästchen 106 den
maximalen Leistungsabzug von der Batterie 58 auf einen
vorbestimmten Maximalwert, beispielsweise 20 kW, oder die maximale
verfügbare
Batterieleistung, je nachdem, welcher Wert niedriger ist. Dann rückt der
Algorithmus bei Kästchen 78 zu
dem Schritt des Bereitstellens der Anodenströmung zu den geteilten Stapeln 12 und 14 vor,
wo die Antwort auf die Frage bei Entscheidungsraute 80,
ob dies das erste Durchlaufen des Kreislaufs ist, Nein lauten wird,
was die Anzahl der durchgeführten
Wiederholungen durch den Kreislauf erhöht.
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Wenn
die Batterie 58 eine weitere Wiederholung durch den Kreislauf
nicht unterstützen
kann oder die maximale Anzahl von Wiederholungen durch den Kreislauf
bei Entscheidungsraute 102 erreicht wurde, dann wird das
System 10 bei Kästchen 108 in
einen Modus mit verringerter Leistung versetzt, der einen Fahrzeugbetrieb
bei eingeschränkter
Leistung ermöglicht,
so dass es zu einer Tankstelle oder einem anderen sicheren Ort gefahren
werden kann.
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Wenn
die maximal zulässige
Leistung bei Entscheidungsraute 100 höher ist als der vorbestimmte
Wert, dann ändert
der Algorithmus die Nachschlagetabelle, die ermittelt, wie viele
Anodenvolumina von Wasserstoff in das Anodenströmungsfeld geleitet wurden,
bei Kästchen 110.
Wenn der Betrag der erforderlichen Anodenströmung höher ist, dann wird die Tabelle
in der Software für
das System dauerhaft aktualisiert. Auf diese Weise kann die Einschaltzeit für die neuen
Zeiten seit dem letzten Abschalten in die Zukunft verlängert werden,
aber die Zuverlässigkeit
des Systems wird verbessert. Im Wesentlichen passt die Tabelle sich
mit dem Altern des Stapels an. Wenn die Tabelle aktualisiert wurde,
geht der Algorithmus bei Kästchen 112 zum
vollen Systembetrieb und beginnt das Umschalten der Anodenströmung.
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In
alternativen Ausführungsformen
kann auf die Schritte bei Kästchen 96 und
den Entscheidungsrauten 98 und/oder 100 verzichtet
werden und die Entscheidung Nein von Entscheidungsraute 94 kann zu
der Entscheidungsraute 102 gehen. Ferner können auch
die Schritte der Entscheidungsraute 102 und der Kästchen 104 und 106 entfernt
werden, wenn die Entscheidung Nein der Entscheidungsraute 94 zu
Kästchen 92 zurückkehrt.
Darüber
hinaus kann auf die Schritte unter dem Schließen der Schütze bei Kästchen 90 verzichtet
werden, um eine verringerte Länge
des Startvorgangs zu erreichen.
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Die
vorstehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte
Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird dieser Beschreibung und
den Begleitzeichnungen sowie Ansprüchen mühelos entnehmen, dass darin
verschiedene Änderungen,
Abwandlungen und Veränderungen
vorgenommen werden können,
ohne vom Wesen und Schutzumfang der in den folgenden Ansprüchen festgelegten
Erfindung abzuweichen