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Querverweis zu verwandten Anmeldungen
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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft allgemein Brennstoffzellensysteme und im Spezielleren Verfahren und Systeme zum Starten von Brennstoffzellensystemen.
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Die
DE 10 2008 006 726 A1 offenbart eine Steuervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, welche bei einem plötzlichen Lastanstieg ein Ablassen von Anodenabgas für einen vorbestimmten Zeitraum unterbindet, um eine übermäßige Wasserstoffanreicherung in der Abgasleitung zu vermeiden.
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Um ein Brennstoffzellensystem zu starten, müssen Reaktanden an der aktiven Fläche der Zelle zur Verfügung stehen, sodass ein elektrischer Strom erzeugt werden kann. Dies ist typischerweise die Hauptfunktion der Startsequenz, wenn das System ausgeschaltet oder in einem Bereitschaftszustand war. Für Fahrzeuganwendungen ist es wünschenswert, die Startsequenz derart abzuschließen, dass der Fahrer in der Lage ist, die volle Leistung anzufordern, bald nachdem die Startanforderung stattgefunden hat. Außerdem ist es, wenn das Brennstoffzellensystem einen Bereitschaftsmodus verlässt, wünschenswert, dass das System in der Lage ist, mit voller Leistung zu laufen, bald nachdem die Weckanforderung stattgefunden hat.
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Um ein Brennstoffzellensystem so herzustellen, dass es mit voller Leistung arbeitet, wird die Inbetriebnahmesequenz typischerweise eine Anodenausspülfunktion und eine Anodenfüllfunktion umfassen. Die Ausspülfunktion entfernt Nicht-Reaktanden aus den Zellenströmungsfeldern. Die Füllfunktion erhöht die Wasserstoffkonzentration an den aktiven Stellen auf das gewünschte Niveau. Die Füllfunktion beansprucht typischerweise den Großteil der Zeit, die erforderlich ist, um die anodenseitigen Funktionen zu starten. Dies ist auf eine Kombination aus Abgasemissionsauflagen und ungleichmäßigen Strömungseigenschaften innerhalb der Stapelrohrleitungen und des Stapels zurückzuführen. In der Methode mit einer nicht idealen Verteilerausspülung wird die Anodenausspülfunktion die Nicht-Reaktanden bis zu einem Niveau ausspülen, wie in 1 veranschaulicht. Selbst ein ideales Ausspülen kann zusätzliche Füllzeit erfordern, um Wasserstoff gleichmäßig zu allen Zellen zu bekommen. Dies würden typischerweise zufällige Zellen auf der Basis der Zellenströmungswiderstandsvariabilität sein.
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Am Ende der Anodenausspülung, nach einer nicht idealen Verteilerspülung, die typischerweise während der Startsequenz erfolgt, wird die Anode noch immer einen Anteil an Nicht-Reaktandengas in den oberen Zellen enthalten. Wenn zu dieser Zeit der volle Strom angefordert wird, werden die Zellen, die nur teilweise mit Wasserstoff gefüllt sind, nicht in der Lage sein, den Strom zu transportieren, was einen steilen Abfall in der Zellenspannung verursacht. Um zu verhindern, dass dies geschieht, wird eine Spannungsstabilisierungsfunktion verwendet, um den Rest des Stapels mit Wasserstoff zu füllen. Für diese Funktion wird eine niedrigere Wasserstoffströmungsrate verwendet, und die Strömungsrate ist derart steuerbar, dass nicht gegen die Emissionsauflagen verstoßen wird. Dies geschieht jedoch auf Kosten einer vergrößerten Startlänge. Die typische Zeit, um die Anodenausspülung durchzuführen, beträgt etwa 1 Sekunde, während die zusätzliche Anodenfüllung und Spannungsstabilisierung bis zu 4 Sekunden dauern können.
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Es besteht daher Bedarf an einem verbesserten Inbetriebnahmeverfahren für eine Brennstoffzelle.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es werden Verfahren und Systeme zum Reduzieren der Inbetriebnahmezeit für eine Brennstoffzelle beschrieben. Ein Verfahren zum Reduzieren der Inbetriebnahmezeit umfasst, dass: eine Startsequenz initiiert wird, welche eine Anodenspülfunktion und eine Anodenfüllfunktion umfasst; nach dem Initiieren der Startsequenz gleichzeitig eine Laufsequenz initiiert wird, was umfasst, dass Lastanforderungen für die Brennstoffzelle unterstützt werden, und eine Spannung der Brennstoffzelle stabilisiert wird; wobei das Stabilisieren der Spannung der Brennstoffzelle umfasst, dass: eine Strömung von Wasserstoff an die Brennstoffzelle bereitgestellt und ein Anodenventil geöffnet wird, wobei die Wasserstoffströmung für ein vorbestimmtes Volumen von Wasserstoff oder eine vorbestimmte Zeit andauert; und die Spannungsstabilisierung beendet wird, nachdem das vorbestimmte Volumen von Wasserstoff oder die vorbestimmte Zeit überschritten wurde, während die Laufsequenz fortgesetzt wird, was umfasst, dass die Lastanforderungen für die Brennstoffzelle unterstützt werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Veranschaulichung der Anodengaszusammensetzung nach einer typischen Anodenausspülung.
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2 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Brennstoffzelle.
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3A–B sind Flussdiagramme, die eine Ausführungsform eines Prozesses zum Bereitstellen einer Brennstoffzelleninbetriebnahme der vorliegenden Erfindung zeigen.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die erforderliche Dauer, um ein Brennstoffzellensystem zuverlässig zu starten, kann reduziert werden, indem zugelassen wird, dass sich die Anodenfüll-/-ausspülfunktion in den Laufmodus hinein erstreckt. Die Funktion wird im Laufmodus zugeschaltet bleiben, bis mithilfe der Zellenspannungs- und Ventilströmungswiderstands-(Gaszusammensetzungs)-überwachung bestimmt wird, dass der Stapel bei voller Leistung arbeiten kann. Der Vorteil der Verwendung dieser Spannungsstabilisierungsroutine besteht darin, sicherzustellen, dass die Nicht-Reaktanden aus allen Zellen ausgespült werden und eine lokal begrenzte Wasserstoffkonzentration auf einem Niveau enthalten, das hoch genug ist, um Vollstromlasten für jede Zelle aufrechtzuerhalten. Durch Verschieben dieser Routine, dass sie nach dem Start im Volllaufmodus stattfindet, können die Zeit bis zu einem akzeptablen Wegfahren oder die Startlänge wesentlich reduziert werden.
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Die Spannungsstabilisierungsfunktion verwendet typischerweise ein mittleres Entlüftungsventil und Wasserstoff wird gleichzeitig in beide Unterstapel eingespritzt. Eine weitere Variante könnte beinhalten, dass Wasserstoff bei einer vorbestimmten Schaltfrequenz sequentiell strömt. Je nach System könnten andere Anodenventile wie z. B. Entlüftungsventile mit dem oder anstelle des mittleren Ablaufventil/s verwendet werden. Die Spannungsstabilisierungsfunktion wird vor der Aktivierung des Laufmodus während der ersten paar Sekunden des Laufmodus zugeschaltet. Die Länge der Zeit, in der die Spannungsstabilisierung stattfinden wird, ist von bestimmten Austrittsbedingungen abhängig. Diese Austrittsbedingungen können eine minimale Zeit, eine Zellenspannungsspreizung, einen Stapelspannungssprung oder eine Entlüftungsanforderung umfassen.
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Wenn während einer Spannungsstabilisierung eine Anforderung einer großen Leistung vorhanden ist, sollte die Funktion in geeigneter Weise ansprechen, sodass die Emissionsauflagen nicht überschritten werden. Die Anodenströmungsrate sollte ansteigen, um die höhere Last zu unterhalten. Dies gilt auch für die Kathodenluftströmungsrate. Allerdings reagiert die Anode viel schneller als die Zeit, die erforderlich ist, um genügend Verdichterströmung für die Kathoden- und anschließend Verdünnungsluft zu erzeugen. An dieser Stelle schließt das mittlere Entlüftungsventil, bis genug Verdünnungsluft zur Verfügung steht. Um jedoch sicherzustellen, dass der Stapel vollständig ausgespült ist, wird es die Anodenströmung zur Wiederaufnahme bringen, nachdem genug Verdünnungsluft verfügbar ist.
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Eine weitere Variante zur Handhabung großer Leistungsschritte besteht darin, die korrekte Wasserstoffströmung durch die Anode, die der Menge der Verdünnungsströmung in dem Abgas entspricht, aufrechtzuerhalten, um eine gezielte Abgaskonzentration zu erreichen. Dies würde zulassen, dass das Ventil während des transienten Zustands offen bleibt.
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2 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems. Das System ist ausführlicher in der
US 2009/0081491 A1 , eingereicht am 21. September 2007, mit dem Titel Method for Fast and Reliable Fuel Cell Systems Start-ups, beschrieben. Es sind viele weitere Ausführungsformen möglich.
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2 zeigt ein Brennstoffzellensystem 10, das einen ersten geteilten Brennstoffzellenstapel 12 und einen zweiten geteilten Brennstoffzellenstapel 14 umfasst. Ein Verdichter 16 stellt Kathodeneingangsluft an der Kathodeneingangsleitung 18 durch ein normalerweise geschlossenes Kathodeneingangsventil 20 an die Stapel 12 und 14 bereit. Kathodenabgas wird aus dem geteilten Stapel 12 an der Leitung 24 abgegeben und Kathodenabgas wird aus dem geteilten Stapel 14 an der Leitung 26 abgegeben, wobei das Kathodenabgas in eine einzige Kathodenausgangsleitung 28 kombiniert wird. Ein normalerweise geschlossenes Kathodengegendruckventil 30 steuert die Strömung des Kathodenabgases durch die Leitung 28. Eine Kathodenumgehungsleitung 32 zwischen der Eingangsleitung 18 und der Ausgangsleitung 28 lässt zu, dass die Kathodeneingangsluft die Stapel 12 und 14 umgeht. Ein normalerweise geschlossenes Umgehungsventil 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, wird Luft von dem Verdichter 16 die Stapel 12 und 14 umgehen. Es wird typischerweise eine Kathodenbefeuchtungseinheit (nicht gezeigt) an einer geeigneten Stelle in der Kathodeneingangsleitung 18 vorgesehen sein.
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In dieser Anordnung verwenden die Stapel 12 und 14 eine Anodenströmungsumschaltung, bei der das Anodenreaktandengas durch die Stapel 12 und 14 in einem vorbestimmten Zyklus in einer Weise vor – und zurückströmt, die Fachleuten gut bekannt ist. Ein Injektor 38 spritzt Wasserstoffgas von einer Wasserstoffgasquelle 40 durch die Anodenleitung 42 zu dem geteilten Stapel 12 ein, und ein Injektor 44 spritzt Wasserstoffgas von der Wasserstoffquelle 40 durch die Anodenleitung 48 zu dem geteilten Stapel 14 in einer alternierenden Sequenz ein. Eine Verbinderleitung 54 verbindet die Anodenseiten der Stapel 12 und 14.
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Ein Wasserabscheider 60 ist mit der Verbinderleitung 54 gekoppelt und scheidet Wasser aus der Anodengasströmung zwischen den Stapeln 12 und 14 ab. Es kann ein normalerweise geschlossenes Ablaufventil 62 verwendet werden, das periodisch geöffnet wird, um das Wasser an der Leitung 64 in die Kathodenabgasleitung 28 abzulassen. Des Weiteren kann ein Anodenabgasspülventil 66 in der Verbindungsleitung 54 vorgesehen sein.
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Wie oben erläutert, ist es wünschenswert, die Anodenseite der Stapel 12 und 14 periodisch zu entlüften, um Stickstoff zu entfernen, der andernfalls den Wasserstoff verdünnen und die Zellenleistung beeinträchtigen kann. Für diesen Zweck sind normalerweise geschlossene Entlüftungsventile 50, 52 vorgesehen. Wenn eine Anodenentlüftung befohlen ist, wird das Entlüftungsventil 50 oder 52 geöffnet und das abgelassene Anodenabgas wird in Abhängigkeit von der Richtung, in der das Wasserstoffgas gerade strömt, an die Kathodenabgasleitung 28 geschickt. Insbesondere wird dann, falls das Wasserstoffgas von der Quelle 40 gerade in den geteilten Stapel 12 eingespritzt wird, wenn eine Entlüftung ausgelöst ist, das Entlüftungsventil 52 geöffnet. Ebenso wird dann, falls das Wasserstoffgas von der Quelle 40 gerade in den geteilten Stapel 14 eingespritzt wird, wenn eine Entlüftung ausgelöst ist, das Entlüftungsventil 50 geöffnet. Die Strömungsumschaltung wird typischerweise mehrere Male während einer normalen Entlüftungsdauer erfolgen, sodass die Entlüftungsventile 50 und 52 mehrere Male rechtzeitig mit der Strömungsumschaltung geöffnet und geschlossen werden müssen.
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Die Brennstoffzellenstapel 12 und 14 erzeugen Strom. Während eines normalen Stapelbetriebes wird der durch die Stapel 12 und 14 erzeugte Strom verwendet, um Systemlasten wie z. B. ein elektrisches Traktionssystem (ETS) 56 an einem Fahrzeug zu betreiben. Während einer Außerbetriebnahmesequenz kann der durch die Stapel 12 und 14 erzeugte Strom verwendet werden, um eine Batterie 58 zu laden, oder durch andere Systemkomponenten verbraucht werden und dann durch einen Widerstand 68 abgeführt werden.
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Bei einer System-Außerbetriebnahmesequenz wird der Verdichter 16 gestoppt und die Ventile 20 und 30 werden geschlossen, um die Kathodenseite der Stapel 12 und 14 abzudichten. Die Strömung von Wasserstoff dauert an, sodass jeglicher verbleibende Sauerstoff in den Stapeln 12 und 14 verbraucht wird. Der durch die Stapel 12 und 14 erzeugte Strom wird dann zu der Batterie 58 geschickt. Wenn die Stapelleistung auf ein weiteres vorbestimmtes Niveau absinkt, werden die Schütze geöffnet und die Stapellast wird zu dem elektrischen Widerstand 68 geschaltet. Insbesondere sobald die Spannung bis zu einer fixen Entladegrenzspannung degradiert ist, wird die Stapellast zu dem elektrischen Widerstand 68 geschaltet. Die Entladegrenzspannung könnte die untere Grenze eines Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers (nicht gezeigt) oder die untere Grenze einer Leistungsvorrichtung sein. Es ist das Ziel der Batterielast, jegliche Energie, die ansonsten vergeudet worden wäre, zu verbrauchen und/oder zu speichern. Sie reduziert auch die Energieverbrauchsanforderungen der Widerstandlast.
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Sobald der Sauerstoff von den Stapeln 12 und 14 verbraucht worden ist, wird die Wasserstoffströmung abgedreht 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 ausgeschaltet wird, umfassen die Stapel 12 und 14 ein N2/H2-Gemisch in sowohl der Kathodenseite als auch der Anodenseite. Mit der Zeit wird Luft in die Stapel 12 und 14 eindringen und der Wasserstoff in den Stapeln 12 und 14 wird anfänglich den Sauerstoff verbrauchen. Außerdem wird der Wasserstoff langsam aus den Stapeln 12 und 14 entweichen. Infolgedessen wird die Zusammensetzung der Gase innerhalb der Stapel 12 und 14 im Lauf der Zeit zwischen einem wasserstoffreichen Gemisch in Stickstoff und Wasser und einem Luftgemisch schwanken.
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Die Menge an Wasserstoff, die bei einer Inbetriebnahme verwendet wird, um die Stapel 12 und 14 zu spülen, kann auf der Basis des Volumens der Anodenseite der Stapel 12 und 14, der Temperatur der Stapel 12 und 14 und des Druckes innerhalb der Stapel 12 und 14 berechnet werden. Die Wasserstoffströmung in die Stapel 12 und 14 hinein sollte in etwa einem Anodenvolumen entsprechen. Wenn eine ungenügende Menge an Wasserstoff in den Stapel strömt, könnten einige Zellen, die eine H2-O2-Front enthalten, zurückbleiben. Wenn zu viel Wasserstoff in den ersten Stapel strömt, wird überschüssiger Wasserstoff in das Abgas vergeudet und könnte durch Verdichtung in den zweiten Stapel gelangen, was zu einer stagnierenden Wasserstoff/Luft-Front führt, die eine übermäßige Spannungsdegradation verursacht. Das Kreislaufvolumen für jeden der Stapel 12 und 14 wird berechnet und diese Information wird mit der Wasserstoffströmungsrate während der Inbetriebnahme kombiniert, um die Spülzeit für den ersten Stapel zu bestimmen.
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3A zeigt eine Ausführungsform der Inbetriebnahmesequenz. Bei dem Entscheidungsblock 105 bestimmt das System, ob das Brennstoffzellensystem einen Bereitschaftszustand verlässt. Wenn es den Bereitschaftszustand nicht verlässt, schreitet das System zu dem Entscheidungsblock 110 weiter, wo das System bestimmt, ob das Brennstoffzellensystem ausgeschaltet war. Wenn das System ausgeschaltet war, schreitet es zu Block 115 weiter, um zu bestimmen, ob das Wasserstoffniveau in der Anode eine Minimalkonzentration überschreitet. Der Wert wird durch Testen bestimmt, indem die Brennstoffzelle bei verschiedenen anfänglichen Gaskonzentrationen (verschiedenen Durchdringungszeiten) gestartet und nicht zugelassen wird, dass irgendein Spülen, Ausspülen oder Füllen an der Anode stattfindet. Dem System wird Wasserstoff zugeführt, aber nichts wird ausgestoßen. Die Minimalkonzentration ist allgemein höher als etwa 70% oder höher als etwa 75% oder höher als etwa 80% oder höher als etwa 85% oder höher als etwa 90%.
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Wenn das Wasserstoffniveau die Minimalkonzentration nicht überschreitet, schreitet das System zu der Anodenausspülfunktion bei Block 120 weiter, auf welche die Anodenfüllfunktion bei Block 125 folgt. Falls gewünscht, kann eine Verteilerspülung der Anodenausspülfunktion vorausgehen. Die Hochspannungsschütze werden dann bei Block 130 geschlossen. Die Anodenausspülfunktion ist eine solche, in der eine hohe Strömungsrate durch die Anode verwendet wird, um die Wasserstoffkonzentration in den Anodenströmungskanälen so schnell wie möglich zu erhöhen, ohne die Emissionsgrenzwerte zu überschreiten. Dies wird bewerkstelligt, indem ein Ventil 66 mit einem hohen kv verwendet wird. Die Anodenfüllfunktion ist ein langsameres Füllen der Anode, das verwendet wird, wenn die Anode ein Schwellenniveau an Wasserstoff enthält, oder dies angenommen wird. In diesem Fall ist ein langsames Füllen erforderlich, sodass nicht gegen Emissionsauflagen verstoßen wird. Dies wird bewerkstelligt, indem ein kleineres Ventil wie z. B. das Ablaufventil 62 verwendet wird.
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Wenn das Wasserstoffniveau das festgelegte Niveau bei Block 115 überschreitet, schreitet das System zu Block 130 weiter, um die Schütze zu schließen.
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Wenn das System bei dem Entscheidungsblock 105 bestimmt hat, dass das Brennstoffzellensystem den Bereitschaftszustand verlassen hat, schreitet es zu Block 130 weiter, um die Schütze zu schließen.
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Bevor die Hochspannungsschütze unter einem dieser Pfade geschlossen werden, wird die Zellenspannung überwacht. Dies wird bewerkstelligt, indem eine Last angesteuert wird, die mit dem Stapel direkt verbunden ist. Jede Last, die direkt auf den Stapel angewendet werden könnte, bevor die Schütze geschlossen werden, z. B. Endzellenheizeinrichtungen, könnte/n verwendet werden. Wenn die Zellenspannung innerhalb eines akzeptablen Bereiches liegt, werden die Hochspannungsschütze geschlossen.
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Nachdem die Schütze bei Block 130 geschlossen wurden, schreitet das System zu dem Entscheidungsblock 135 weiter, um zu bestimmen, ob die Stapelspannung stabil ist. Die Stabilität der Stapelspannung kann auf unterschiedliche Art und Weise bestimmt werden, wie dem Fachmann bekannt ist. Zum Beispiel kann die Spannungsdifferenz zwischen den Maximum- und Minimum-Zellen an beiden Stapeln gemessen werden. Alternativ kann das Verhältnis zwischen der minimalen Zellenspannung und der durchschnittlichen Zellenspannung berechnet werden. Ein weiteres Verfahren umfasst, dass die Standardabweichung der Zellenspannungen verwendet wird, nachdem die durchschnittliche Zellenspannung eine Schwelle überschritten hat. Je nach Wunsch kann/können eines oder mehrere dieser Verfahren (oder weitere geeignete Verfahren) verwendet werden. Außerdem kann/können ein oder mehrere Verfahren verwendet werden, während der Stapel unter Last ist (z. B. unmittelbar nach dem Schützschluss).
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Wenn die Stapelspannung nicht stabil ist, schreitet das System zu Block 140 zur Spannungsstabilisierung weiter, indem die zu der mittleren Entlüftung parallele Strömung (MEPS) verwendet wird, in der das Ablaufventil 62 geöffnet würde. Für den Betrieb der zu der mittleren Entlüftung parallelen Strömung wird anstelle eines sequentiellen Betriebes der Entlüftungsventile 50 und 52 das Ablass- oder mittlere Entlüftungsventil 62 geöffnet, und beide Injektoren 38 und 44 werden gleichzeitig anstatt sequentiell betrieben, wie oben für einen Normalbetrieb beschrieben. Während dieser Spannungsstabilisierung werden jegliche Lastanforderungen von dem Fahrer ignoriert.
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Das System kehrt dann zu Block 135 zurück, um zu bestimmen, ob die Stapelspannung stabil ist. Wenn die Stapelspannung stabil ist, schreitet das System zu Block 145 weiter und initiiert die Lauffunktion 150 und die Spannungsstabilisierungsfunktion 155. Diese zwei Funktionen laufen gleichzeitig, was die Inbetriebnahmezeit reduziert. Diese Spannungsstabilisierungsfunktion wird Fahrer-Leistungsanforderungen akzeptieren, da die Lauffunktion gleichzeitig arbeitet.
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Die Details einer Ausführungsform der gleichzeitigen Spannungsstabilisierungsfunktion sind in
3B gezeigt. Bei Block
160 bestimmt das System, ob das Brennstoffzellensystem zum Laufen übergegangen ist. Wenn ja, schreitet das System zu Block
165 weiter, wo eine parallele Strömung zu den Stapeln stattfindet und das mittlere Entlüftungsventil
62 geöffnet wird. Bei Block
170 wird ein Zähler gestartet. Der Zähler ist eine Zeitschaltuhr, die weiterzählt, solange das mittlere Entlüftungsventil
62 offen ist oder bis eine gemessene Volumenströmung von Gas durchgeströmt ist. Das System schreitet zu dem Entscheidungsblock
175 weiter, wo es bestimmt, ob ein aufwärts transienter Zustand besteht. Ein aufwärts transienter Zustand ist eine Funktion, bei der unabhängig gemessene und berechnete Signale verwendet werden, um zu bestimmen, dass eine deutliche Erhöhung in dem Strom, der von dem Stapel bezogen wird, unmittelbar bevorsteht. Die Steuerung von Zuständen schneller Leistungszunahme ist in den
US 2008/0081225 A1 und
US 2008/0187804 A1 beschrieben. Die Änderungsrate der Kathodensauerstoffsollwerts und die Befehle zur Änderungsrate der Kathodenventilposition können überwacht werden. Sobald die Änderungsrate größer ist als eine Schwelle, wird eine Anforderung einer schnellen Leistungszunahme festgelegt. Die Anforderung einer schnellen Leistungszunahme kann bestimmte spezifische Filter aufweisen, die damit verbunden sind. Es ist typischerweise eine sprunghafte Änderung in der Lastanforderung, die durch die oben erläuterten Verfahren oder durch Messen der Änderungsrate im Strom detektiert werden kann. Es könnte das Stromsignal verwendet werden, das jedoch oft zu verrauscht ist. Dies lässt das Setzen von Präventivmaßnahmen zu, um der Leistungsanforderung nachzukommen, wie auch, um den Emissionszielen nachzukommen. Wenn ein aufwärts transienter Zustand besteht, schreitet das System zu dem Entscheidungsblock
177 weiter und bestimmt, ob hier eine ausreichende Verdünnungsströmung vorhanden ist. Wenn hier eine ausreichende Verdünnungsströmung vorhanden ist, kehrt das System zu dem Entscheidungsblock
175 zurück. Wenn bei Block
177 keine ausreichende Verdünnungsströmung vorhanden ist, schreitet das System zu Block
180 weiter, wo das mittlere Entlüftungsventil
62 geschlossen wird. Der Zähler wird bei Block
185 angehalten und das System kehrt zu dem Entscheidungsblock
175 zurück.
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Wenn kein aufwärts transienter Zustand besteht (oder nicht mehr besteht), wird der Zähler bei Block 190 wieder eingesetzt (wenn er angehalten wurde). Das mittlere Entlüftungsventil wird bei Block 195 geöffnet (wenn es geschlossen war). Das System schreitet zu dem Entscheidungsblock 200 weiter, wo es bestimmt, ob der Zähler eine kalibrierte Schwelle überschreitet, welche entweder eine vorbestimmte Zeit oder ein vorbestimmtes Volumen von Gas sein könnte. Wenn der Zähler die kalibrierte Schwelle nicht überschreitet, kehrt das System zu dem Entscheidungsblock 175 zurück. Die Schwelle wird durch Testen des Systems bestimmt. Viele Faktoren wie z. B. die Länge des Starts ohne die gleichzeitige Spannungsstabilisierung, der Wasserstoffverbrauch und das Alter des Stapels können die kalibrierte Schwelle beeinflussen. Zum Beispiel würde ein Verfahren zum Bestimmen der Schwelle darin bestehen, die Startlänge ohne gleichzeitige Spannungsstabilisierung mit der Startlänge unter Verwendung einer gleichzeitigen Spannungsstabilisierung zu vergleichen. Wenn ein Start ohne gleichzeitige Spannungsstabilisierung etwa 7 s dauern würde und ein Start unter Verwendung der gleichzeitigen Spannungsstabilisierung um etwa 2 s reduziert wäre, könnte die Schwelle bei etwa 2 s festgelegt werden, um sicherzustellen, dass den vorhergehenden Niveaus an eingebrachtem Wasserstoff und Ausspülen entsprochen wurde.
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Wenn der Zähler die kalibrierte Schwelle überschreitet, schreitet das System zu dem Entscheidungsblock 205 weiter, wo es bestimmt, ob hier eine reaktive Entlüftungsanforderung besteht. Die reaktive Entlüftungsanforderung ist ein Ansprechen auf eine Anomalie in dem System. Ein Hauptgrund für reaktive Entlüftungsanforderungen ist das Stickstoffniveau in den Zellen. Wenn die Stickstoffkonzentration in der Anode einen Schwellenwert überschreitet, wird/werden typischerweise eine oder mehrere der Zellenspannungen ansprechen, indem sie beträchtlich abfällt/abfallen. In bisherigen Systemen würde, wenn ein Spannungsabfall detektiert wird, ein in 2 gezeigtes Entlüftungsventil, z. B. das Entlüftungsventil 50 oder 52 (während einer Strömungsumschaltung ist nur eines offen) geöffnet werden, um soviel Stickstoff wie möglich auszuspülen. Allerdings wird in dem vorliegenden System nach dem Start und während des Beginns des Laufens eine zu der mittleren Entlüftung parallele Strömung bevorzugt, sodass das Auslaufventil 62 geöffnet wird. Weitere Gründe für reaktive Entlüftungsanforderungen umfassen, dass flüssiges Wasser die Strömungskanäle verstopft, oder Eisbildung, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
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Wenn das System eine reaktive Entlüftungsanforderung detektiert, kehrt es zu dem Entscheidungsblock 175 zurück. Wenn keine reaktive Entlüftungsanforderung vorhanden ist, endet die Spannungsstabilisierungsfunktion bei Block 210.
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Dieses Inbetriebnahmeverfahren lässt ein schnelles Verlassen des Bereitschaftsmodus zu und reduziert die Zeit bis zu einem akzeptablen Wegfahren in normalen Inbetriebnahmesequenzen. Es verbessert die Startzuverlässigkeit, indem die Anodenwasserstoffkonzentration weiter erhöht wird, nachdem die Startsequenz abgeschlossen ist. Außerdem berücksichtigt es eine unvollständige Anodenausspülung auf Grund einer Systemschwankung und einer ungleichförmigen Stapelströmung.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Erwähnungen hierin, dass eine Komponente einer Ausführungsform auf eine spezielle Weise „ausgebildet” ist oder eine spezielle Eigenschaft oder Funktion in einer speziellen Weise erfüllt, strukturelle Erwähnungen im Gegensatz zu Erwähnungen einer vorgesehenen Verwendung sind. Im Spezielleren bezeichnen die Bezugnahmen auf die Art, in der eine Komponente „ausgebildet” ist, hierin einen bestehenden physikalischen Zustand der Komponente und sind als solche als eine eindeutige Anführung der strukturellen Faktoren der Komponente zu verstehen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausdrücke wie „allgemein”, „üblicherweise” und „typischerweise”, wenn sie hierin verwendet werden, nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Ausführungsformen einzuschränken oder zu implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Ausführungsformen sind. Vielmehr sollen diese Ausdrücke spezielle Aspekte einer Ausführungsform nur kennzeichnen oder alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer speziellen Ausführungsform verwendet werden können oder nicht.
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Es wird darauf hingewiesen, dass, um Ausführungsformen hierin zu beschreiben und zu definieren, die Ausdrücke „im Wesentlichen”, „beträchtlich” und „ungefähr” hierin verwendet werden, um den natürlichen Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem/r beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Die Ausdrücke „im Wesentlichen”, „beträchtlich” und „ungefähr” werden hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes führt.
