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Die
vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme und insbesondere
das Abschalten und Starten eines Brennstoffzellensystems bei Umgebungsbedingungen
unterhalb des Gefrierpunkts.
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Brennstoffzellen
erzeugen Elektrizität
durch eine elektrochemische Reaktion und sind bei vielen Anwendungen
als eine Energie- bzw. Antriebsquelle verwendet worden. Brennstoffzellen
können
gegenüber
anderen elektrischen Energiequellen erhebliche Vorteile bieten,
wie beispielsweise einen verbesserten Wirkungsgrad, eine verbesserte
Zuverlässigkeit, eine
verbesserte Lebensdauer und zudem Kosten- wie auch Umweltvorteile.
Brennstoffzellen können schließlich in
Autos und Lastwägen
verwendet werden. Brennstoffzellen können aber auch Strom für den privaten
und gewerblichen Bereich vorsehen.
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Es
existieren mehrere verschiedene Typen von Brennstoffzellen, von
denen jede Vorteile aufweist, die diese für gegebene Anwendungen besonders
geeignet machen können.
Ein Typ ist eine Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (PEM),
die eine Membran aufweist, die zwischen eine Anode und eine Kathode
geschichtet ist. Um Elektrizität
durch eine elektrochemische Reaktion zu erzeugen, wird Wasserstoff
(H2) an die Anode und Luft oder Sauerstoff
(O2) an die Kathode geliefert.
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Bei
einer ersten Halbzellenreaktion erzeugt eine Aufspaltung des Wasserstoffs
(H2) an der Anode Wasserstoffprotonen (H+) und Elektronen (e–).
Da die Membran protonenleitend ist, werden die Protonen durch die
Membran hindurch transportiert. Die Elektronen fließen durch
eine elektrische Last, die über die
Elektroden geschaltet ist. Bei einer zweiten Halbzellenreaktion
reagiert Sauerstoff (O2) an der Kathode
mit Protonen (H+), und Elektronen (e–)
werden aufgenommen, um Wasser (H2O) zu bilden.
Nach einer Deaktivierung eines Brennstoffzellenstapels verbleibt das
Wasser in den Strömungskanälen des
Brennstoffzellenstapels. Bei Umgebungsbedingungen unterhalb des
Gefrierpunktes kann das Wasser gefrieren und Komponenten des Brennstoffzellenstapels möglicherweise
beschädigen.
Zusätzlich
behindert die Anwesenheit von gefrorenem Wasser ein Starten des
Brennstoffzellenstapels.
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Brennstoffzellensysteme
umfassen allgemein zusätzliche
Systeme zum Spülen
und Vorheizen der Brennstoffzellenstapel vor einem Abschalten bzw.
während
eines Startens. Die Energie, die erforderlich ist, um diese zusätzlichen
Systeme zu betreiben, wird allgemein von einem Batteriespeichersystem
vorgesehen, das einen zusätzlichen
spannungserhöhenden
Wandler verwendet. Das Batteriespeichersystem muss eine erhebliche
Energiemenge speichern können
und ist daher aufgrund des Volumens, der Masse wie auch der Kosten
eines derartigen Energiespeichersystems unerwünscht.
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Aus
der
DE 103 07 856
A1 , die nachveröffentlichten
Stand der Technik darstellt, ist eine Brennstoffzellenanlage bekannt,
die mindestens zwei seriell und/oder parallel gekoppelte Brennstoffzellenelemente
und eine elektronische Steuereinheit umfasst. Um im Teillastbetrieb
einen höheren Wirkungsgrad der
chemischen Umformung und ein gutes dynamisches Verhalten zu erreichen,
ist die Steuereinheit zur Steuerung einzelner Brennstoffzellenelemente ausgebildet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren
zu schaffen, welches ein einfacheres Abschalten und Starten eines
Brennstoffzellensystems bei Umgebungsbedingungen unterhalb des Gefrierpunkts
ermöglicht,
ohne dass das Brennstoffzellensystem dabei beschädigt wird.
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Zur
Lösung
der Aufgabe sind die Gegenstände
der unabhängigen
Ansprüche
vorgesehen.
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Gemäß Anspruch
1 sieht die vorliegende Erfindung ein Frostschutzsystem für Brennstoffzellenstapel
vor, das eine Vielzahl von parallel geschalteten Brennstoffzellenstapeln
spült.
Das Frostschutzsystem für
Brennstoffzellenstapel umfasst einen Kompressor, der unter Druck
stehendes Katho dengas an jeden der Vielzahl von Brennstoffzellenstapel
liefert. Eine Steuereinheit deaktiviert eine erste Gruppe aus einem
oder mehreren der Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln und hält einen
Betrieb einer zweiten Gruppe aus einem oder mehreren der Vielzahl
von Brennstoffzellenstapeln aufrecht. Die zweite Gruppe treibt den
Kompressor an, und der Kompressor spült überschüssiges Fluid aus der ersten
Gruppe unter Verwendung des unter Druck stehenden Kathodengases.
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Bei
einer Ausführungsform
deaktiviert die Steuereinheit die zweite Gruppe nach einem Spülen des überschüssigen Fluids
aus der ersten Gruppe. Die Steuereinheit aktiviert die erste Gruppe,
und die erste Gruppe wird dazu verwendet, die zweite Gruppe zu heizen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
umfasst das Frostschutzsystem für
Brennstoffzellenstapel ferner ein Kühlmittelsystem, das ein Wärmeübertragungsfluid
durch die Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln umwälzt. Abwärme von
der ersten Gruppe wird über
das Wärmeübertragungsfluid
auf die zweite Gruppe übertragen.
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Bei
einer noch weiteren Ausführungsform umfasst
das Frostschutzsystem für
Brennstoffzellenstapel ferner ein Heizsystem mit einer elektrischen Heizeinrichtung,
die jeder der Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln zugeordnet ist.
Die erste Gruppe treibt die elektrische Heizeinrichtung an, die
die zweite Gruppe heizt.
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Bei
einer noch weiteren Ausführungsform umfasst
das Frostschutzsystem für
Brennstoffzellenstapel ferner eine Bedienereingabe, die selektiv
ein Abschaltsignal erzeugt. Die Steuereinheit deaktiviert die erste
Gruppe in Reaktion auf das Abschaltsignal.
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Bei
einer noch weiteren Ausführungsform umfasst
das Frostschutzsystem für
Brennstoffzellenstapel ferner eine Bedienereingabe, die selektiv
eine verringerte Lastanforderung erzeugt. Die Steuereinheit deaktiviert
die erste Gruppe in Reaktion auf die verringerte Lastanforderung.
Eine Anzahl von Brennstoffzellenstapeln in der ersten Gruppe basiert
auf einer Anzahl von Brennstoffzellenstapeln, die erforderlich sind,
um die verringerte Lastanforderung vorzusehen.
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Weitere
Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend
detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung
wie auch spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und
nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems ist, das
eine Vielzahl von Brennstoffzellenstapel aufweist, die elektrisch
parallel geschaltet sind;
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2 eine
schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems von 1 ist,
das ein Kühlmittelsystem
und ein Heizsystem zeigt, die Temperaturen der Brennstoffzellenstapel
regeln; und
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3 ein
Flussdiagramm ist, das die Frostschutzsteuerung gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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In 1 ist
schematisch ein Brennstoffzellensystem 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst
eine Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln 12, die elektrisch
parallel geschaltet sind. Die Brennstoffzellenstapel 12 liefern
einen Bruttoarbeitsstrom an eine Primärlast 14 und Zubehörlasten,
die beispielsweise einen Kompressor 16 umfassen können. Obwohl
in 1 vier Brennstoffzellenstapel 12 gezeigt
sind, kann die Anzahl von Brennstoffzellenstapeln 12 bis zu
N Brennstoffzellenstapeln 12 variieren. Allgemein legt
das parallele Verschalten von Brennstoffzellenstapeln 12 einen
Ausgangsspannungsbereich fest. Durch Zusatz eines oder mehrerer
weiterer paralleler Stapel zu dem Brennstoffzellensystem 10 kann
die Energieerzeugungskapazität
weiter erhöht
werden. Durch die parallel geschalteten Brennstoffzellenstapel 12 wird
gemäß den Kirchhoffschen
Gesetzen eine aus der parallelen Gestaltung erzeugte resultierende
parallele Sammelschienenspannung angepasst.
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Der
Kompressor 16 wird von den Brennstoffzellenstapeln 12 über einen
DC/AC-Wandler 18 angetrieben. Der Kompressor 16 wird
durch eine Systemsteuereinheit 20 gesteuert. Oxidationsmittel
(beispielsweise sauerstoffreiche Luft) wird von der Atmosphäre entnommen
und in dem Kompressor 16 komprimiert. Das Oxidationsmittel
wird von dem Kathodenkompressor 16 in einen gemeinsamen
Kathodeneinlassverteiler 22 ausge tragen. Die Strömung des
Oxidationsmittels in die einzelnen Brennstoffzellenstapel 12 wird über die
Kathodeneinlassventile 24 gesteuert. Die Kathodeneinlassventile 24 werden
auf Grundlage von Signalen von der Systemsteuereinheit 20 betätigt. Bei
Beendigung einer Protonenaustauschreaktion werden Oxidationsmittelabgase über Kathodenaustragsverteilerauslässe (nicht
gezeigt) ausgetragen, die jeweilig positionierte Rückschlagsteuerventile
(nicht gezeigt) umfassen. Die Oxidationsmittelabgase werden in einen
gemeinsamen Kathodenabgasstrom kombiniert. Während des Betriebs der Brennstoffzellenstapel 12 bildet
sich in den Strömungskanälen der
Brennstoffzellenstapel 12 Wasserkondensat.
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Auf
der Anodenseite tritt unter Druck stehender Wasserstoff von einer
Wasserstoffquelle in einen gemeinsamen Anodeneinlassverteiler 26 ein.
Eine Strömung
der jeweiligen Wasserstoffströme
in die einzelnen Brennstoffzellenstapel 12 wird über Anodeneinlassventile 28 gesteuert.
Die Anodeneinlassventile 28 werden auf Grundlage von Signalen
von der Systemsteuereinheit 20 betätigt. Bei Beendigung einer
Protonenaustauschreaktion werden Anodenabgase über Anodenaustragsverteilerauslässe (nicht gezeigt)
ausgetragen. Die Anodenabgase werden in einen gemeinsamen Anodenaustragsstrom
kombiniert.
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Es
wird auch eine Bedienereingabe 30 vorgesehen, die in Verbindung
mit der Steuereinheit 20 steht. Die Bedienereingabe 30 veranschaulicht grundsätzlich eine
Anzahl möglicher
Eingabevorrichtungen, wie beispielsweise einem Gaspedal oder -hebel
und einer Zündung
(d. h. Schlüsseleingabe, um
ein Starten oder Abschalten des Brennstoffzellensystems anzuweisen).
In dem Fall eines Gaspedals regelt die Steuereinheit 20 das
Brennstoffzellensystem 10 auf Grundlage einer gewünschten
Beschleuni gung. Beispielsweise kann ein Bediener eine schnelle Beschleunigung
anfordern (beispielsweise eine Fahrzeugbeschleunigung aus dem Ruhezustand),
was eine höhere
Leistungsabgabe von dem Brennstoffzellensystem 10 erfordert,
um die Primärlast 14 anzutreiben.
In dem Fall einer Zündung
kann ein Zündungsignal
einen Start des Brennstoffzellensystems 10 (d. h. einen Übergang
von einem deaktivierten Zustand zu einem aktivierten Zustand) oder ein
Abschalten des Brennstoffzellensystems (d. h. einen Übergang
von einem aktivierten Zustand in einen deaktivierten Zustand) angeben.
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Eine
detailliertere Beschreibung des Brennstoffzellensystems 10 wie
auch seines Betriebs ist in der ebenfalls anhängigen U.S.-Patentanmeldung
US 2005-0164048 A1 von Wheat et al., eingereicht am 22. Januar 2004
mit dem Titel ”Current
Control for Parallel Fuel Cell Stacks” und den zugeordneten Anwaltsaktenzeichen
GP-303097 und 8540G-000185 vorgesehen,
deren Offenbarung hier ausdrücklich durch
Bezugnahme eingeschlossen ist.
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Die
Spülsteuerung
der vorliegenden Erfindung erlaubt ein Spülen von zuvor gebildetem Wasser
von den Brennstoffzellenstapeln 12 beim Abschalten oder
Deaktivieren des Brennstoffzellensystems 10. Insbesondere
deaktiviert die Spülsteuerung anfänglich eine
erste Gruppe aus N-1 Brennstoffzellenstapeln 12, wodurch
eine zweite Gruppe aus zumindest einem Brennstoffzellenstapel 12 aktiviert bleibt.
Die durch den zumindest einen Brennstoffzellenstapel 12 erzeugte
Energie wird dazu verwendet, den Kompressor 16 anzutreiben.
Die Steuerung 20 öffnet
die Kathodeneinlassventile 24, die den deaktivierten Brennstoffzellenstapeln 12 zugeordnet
sind, um zu ermöglichen,
dass unter Druck stehende Luft von dem Kompressor 16 durch
die Kathodenströmungskanäle der deaktivierten
Brennstoffzellenstapel strömen
kann. Die unter Druck stehende Luft bläst oder spült Wasser aus den Strömungskanälen, wodurch
das Wasser von den Brennstoffzellenstapeln 12 ausgetragen
wird. Da der verbleibende Brennstoffzellenstapel 12 nur
ausreichend Energie erzeugt, um den Kompressor 16 zu betreiben,
wird in den Strömungskanälen des
verbleibenden Brennstoffzellenstapels 12 eine verringerte
Menge an Wasser gebildet. Nachdem eine festgelegte Spülperiode abgelaufen
ist, deaktiviert die Steuerung 20 den verbleibenden, nicht
gespülten
Brennstoffzellenstapel 12, und das Brennstoffzellensystem
schaltet ab.
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In 2 ist
gezeigt, dass bei Aktivierung des Brennstoffzellensystems 10 die
Spülsteuerung
anfänglich
eine dritte Gruppe aktiviert, die die vorher gespülten Brennstoffzellenstapel 12 umfasst,
während eine
vierte Gruppe, die den nicht gespülten Brennstoffzellenstapel 12 umfasst,
deaktiviert bleibt. Die aktivierten Brennstoffzellenstapel 12 sind
so angeordnet, dass sie den nicht gespülten Brennstoffzellenstapel 12 vor
Aktivierung des nicht gespülten Brennstoffzellenstapels 12 vorheizen.
Es sei angemerkt, dass das Vorheizen auf verschiedene Arten erreicht
werden kann. Wenn sich der deaktivierte Brennstoffzellenstapel 12 über eine
ausreichende Zeitdauer auf einer Schwellentemperatur befindet (beispielsweise
auf einer Temperatur für
eine Zeitdauer, die lang genug ist, damit gefrorenes Wasser schmelzen
kann), aktiviert die Steuereinheit 20 den Brennstoffzellenstapel 12,
so dass alle Brennstoffzellenstapel 12 in dem Brennstoffzellensystem 10 aktiviert
werden.
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Ein
Heizersystem 32 betreibt elektrische Heizer 34,
die jedem der Brennstoffzellenstapel 12 zugeordnet sind.
Das Heizersystem 32 wird durch die aktivierten Brennstoffzellenstapel 12 betrieben.
Die Heizer 34 sind schematisch gezeigt und stehen in Wärmeübertragungsverbindung
mit ihrem zugeordneten Brennstoffzellenstapel 12. Die Heizer 34 können an einer
beliebigen Stelle entlang des Brennstoffzellenstapels 12 positioniert
sein und umfassen bevorzugt zwei Stirnplattenheizer 34,
die an jeder Seite des Brennstoffzellenstapels 12 angeordnet
sind. Die Heizer 34 des deaktivierten Brennstoffzellenstapels 12 heizen
den deaktivierten Brennstoffzellenstapel 12, bis entweder
eine Schwellentemperatur erreicht ist oder ein Heizen über eine
vorbestimmte Zeitdauer erfolgt ist.
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Ein
Kühlmittelsystem 36 reguliert
die jeweiligen Temperaturen der Brennstoffzellenstapel 12. Das
Kühlmittel
wird durch die Brennstoffzellenstapel 12 umgewälzt. Das
Kühlmittel
ist als ein Wärmeübertragungsfluid
vorgesehen, das die Brennstoffzellenstapel 12 entweder
heizt oder kühlt.
Wenn beispielsweise die Brennstoffzellenstapelkomponenten wärmer als
das hindurchströmende
Kühlmittel
sind, entnimmt das Kühlmittel
Wärme von
den Komponenten, wodurch der Brennstoffzellenstapel 12 gekühlt wird. Wenn
die Komponenten kälter
als das hindurchströmende
Kühlmittel
sind, entnehmen die Komponenten Wärme von dem Kühlmittel,
um den Brennstoffzellenstapel 12 zu wärmen. Die aktivierten Brennstoffzellenstapel 12 heizen
das Kühlmittel,
das auch durch den deaktivierten Brennstoffzellenstapel 12 umgewälzt wird.
Das wärmere
Kühlmittel
heizt die Komponenten des deaktivierten Brennstoffzellenstapels 12, um
den deaktivierten Brennstoffzellenstapel 12 vorzuheizen.
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Neben
einer Auslösung
durch ein über Schlüssel erfolgendes
Einschalten oder Ausschalten ist die Frostschutzsteuerung auch bei
Szenarien mit verringerter Leistung implementiert. Genauer entnimmt
bei bestimmten Situationen die Primärlast 14 eine verringerte
Leistung von dem Brennstoffzellensystem 10. Beispielsweise
entnimmt in dem Fall eines Fahrzeugs während der Beschleunigung die
Primärlast 14 eine
erhebliche Leistung von dem Brennstoffzellensystem 10,
und es kann erforderlich werden, dass alle Brennstoffzellenstapel 12 aktiviert
werden müssen.
Es wird weniger Leistung benötigt,
um eine Reisegeschwindigkeit beizubehalten. Daher können einige
der Brennstoffzellenstapel 12 bei einem Szenario mit verringerter
Leistung deaktiviert werden.
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Wenn
die Steuereinheit 20 ein Szenario mit verringerter Leistung
erkennt, bestimmt die Steuereinheit 20 die Anzahl von Brennstoffzellenstapeln (M),
die die verringerte Leistungsanforderung erfüllen können. Die Steuereinheit 20 deaktiviert
(N-M) Brennstoffzellenstapel 12. Der bzw. die verbleibenden
Brennstoffzellenstapel 12 liefern weiterhin Energie sowohl
an die Primärlast 14 als
auch die Zubehörlasten.
Die Kathodeneinlassventile 24 der deaktivierten Brennstoffzellenstapel 12 sind
offen, um ein Spülen
der deaktivierten Brennstoffzellenstapel 12 zu ermöglichen.
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Die
Frostschutzsteuerung wechselt zwischen den Brennstoffzellenstapeln 12 zum
Betrieb des Spülbetriebs.
Genauer identifiziert die Steuereinheit 20, welcher Brennstoffzellenstapel 12 aktiv
geblieben ist, um den letzten Spülvorgang
zu betreiben. Die Steuerung 20 wählt einen alternativen Brennstoffzellenstapel 12 zum
Betrieb des nächsten
Spülbetriebs.
Die Steuereinheit 20 wechselt für nachfolgende Spülbetriebsabläufe durch
die Brennstoffzellenstapel 12. Auf diese Art und Weise
wird kein einzelner Brennstoffzellenstapel 12 kontinuierlich
verwendet, um den Spülbetrieb
zu betreiben, und die Bürde
wird über
alle Brennstoffzellenstapel 12 in dem Brennstoffzellensystem 10 aufgeteilt.
Aufgrund dessen ist die Le bensdauer bzw. Haltbarkeit der einzelnen
Brennstoffzellenstapel 12 verbessert.
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In 3 ist
die Frostschutzsteuerung der vorliegenden Erfindung detaillierter
beschrieben. In Schritt 100 bestimmt die Steuerung, ob
ein Einschalten mittels Schlüssel
erfolgt ist. Wenn ein Einschalten mittels Schlüssel erfolgt ist, fährt die
Steuerung mit Schritt 102 fort. Wenn kein Einschalten mittels Schlüssel erfolgt
ist, fährt
die Steuerung mit Schritt 104 fort. Der Schritt 102 aktiviert
die Steuerung die vorher gespülten
Brennstoffzellenstapel 12. Die Steuerung heizt bei Schritt 106 den
vorher gespülten Brennstoffzellenstapel 12 unter
Verwendung der aktivierten Brennstoffzellenstapel 12. Das
Heizen wird entweder unter Verwendung des elektrischen Heizers 34 oder
des Kühlmittelsystems 36 erreicht,
wie oben detailliert beschrieben ist. Bei Schritt 108 aktiviert
die Steuerung den vorher nicht gespülten Brennstoffzellenstapel 12,
nachdem dieser ausreichend erhitzt worden ist, und die Steuerung
endet.
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Bei
Schritt 104 bestimmt die Steuerung, ob ein Ausschalten
mittels Schlüssel
erfolgt ist. Wenn ein Ausschalten mittels Schlüssel erfolgt ist, fährt die Steuerung
mit Schritt 110 fort. Wenn ein Ausschalten mittels Schlüssel erfolgt
ist, fährt
die Steuerung mit Schritt 112 fort. Die Steuerung deaktiviert
bei Schritt 110 alle außer einem Brennstoffzellenstapel 12.
Bei Schritt 114 spült
die Steuerung die deaktivierten Brennstoffzellenstapel 12 unter
Verwendung von Energie, die durch den verbleibenden Brennstoffzellenstapel 12 erzeugt
wird. Bei Schritt 116 deaktiviert die Steuerung den verbleibenden
Brennstoffzellenstapel 12, nachdem die anderen Brennstoffzellenstapel 12 ausreichend
gespült
worden sind, und die Steuerung endet.
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Bei
Schritt 112 bestimmt die Steuerung, ob von der Primärlast 14 ein
verringerter Leistungsbedarf besteht. Wenn kein verringerter Leistungsbedarf besteht,
kehrt die Steuerung zurück
zu Schritt 100. Wenn eine verringerte Leistungsanforderung
besteht, deaktiviert die Steuerung bei Schritt 118 (N-M) Brennstoffzellenstapel 12.
Bei Schritt 120 spült
die Steuerung die deaktivierten Brennstoffzellenstapel 12 unter
Verwendung von Leistung, die durch die verbleibenden Brennstoffzellenstapel 12 erzeugt
wird, und die Steuerung endet.
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Zusammengefasst
umfasst ein Frostschutzsystem für
Brennstoffzellenstapel, das eine Vielzahl von parallel geschalteten
Brennstoffzellenstapeln spült,
einen Kompressor, der unter Druck stehendes Kathodengas an jeden
der Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln liefert. Eine Steuereinheit
deaktiviert eine erste Gruppe aus einem oder mehreren der Vielzahl
von Brennstoffzellenstapeln und hält einen Betrieb der zweiten
Gruppe aus einem oder mehreren der Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln
aufrecht. Die zweite Gruppe treibt den Kompressor an und der Kompressor
spült überschüssiges Fluid
von der ersten Gruppe unter Verwendung des unter Druck stehenden
Kathodengases.