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Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie aus der
DE 691 23 822 T2 bekannt.
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H2-O2-(Luft)-Brennstoffzellen sind in der Technik gut bekannt und für viele Anwendungen als eine Energie- bzw. Antriebsquelle vorgeschlagen worden. Es existieren verschiedene Typen von H2-O2-Brennstoffzellen, wie den Säuretyp, den Alkalityp, den Schmelzcarbonattyp und den Festoxidtyp. So genannten PEM-(Protonenaustauschmembran)-Brennstoffzellen (auch bekannt als SPE-(Festpolymerelektrolyt)-Brennstoffzellen) sind vom Säuretyp, der potentiell eine hohe Leistung und ein niedriges Gewicht besitzt und demgemäß für mobile Anwendungen (beispielsweise Elektrofahrzeuge) geeignet ist. PEM-Brennstoffzellen sind in der Technik gut bekannt und umfassen eine ”Membranelektrodenanordnung” (auch MEA) mit einem dünnen protonendurchlässigen Festpolymermembranelektrolyten, der auf einer seiner Seiten eine Anode und auf der entgegengesetzten Seite eine Kathode umfasst. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Elemente angeordnet, die (1) als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und (2) geeignete Kanäle und/oder Öffnungen darin umfassen, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren zu verteilen. Üblicherweise wird eine Vielzahl einzelner Zellen miteinander gebündelt, um einen PEM-Brennstoffzellenstapel zu bilden.
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Bei PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff der Anodenreaktand (d. h. Brennstoff) und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d. h. Oxidationsmittel). Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (d. h. O2) oder als Luft (d. h. O2 gemischt mit N2) vorliegen. Die Festpolymerelektrolyte bestehen typischerweise aus Ionentauscherharzen, wie beispielsweise perfluorierter Sulfonsäure. Die Anode bzw. Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel (oftmals auf Kohlenstoffpartikeln getragen), die mit einem protonenleitenden Harz gemischt sind.
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Wenn Luft als der Kathodenreaktand verwendet wird, dringt Stickstoff in der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels über die die Anoden- und Kathodenströmungsfelder trennende Membran. Der Stickstoff überlagert sich mit der Reaktion des Wasserstoffs durch Verringerung des Wasserstoffpartialdrucks. Wenn die Stickstoffkonzentration in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zunimmt, nimmt die Spannungsproduktion des Brennstoffzellenstapels ab. Die Abnahme der Spannungsproduktion kann auf spezifische Brennstoffzellen lokalisiert werden oder kann über alle Brennstoffzellen hinweg vorhanden sein. Wenn die Stickstoffkonzentration zu hoch wird, kann der Brennstoffzellenstapel durch den Stickstoff geschädigt werden, wodurch die Reaktion abstirbt und in einer instabilen Spannungserzeugung resultiert. Es ist daher vorteilhaft, eine Stickstoffschädigung des Brennstoffzellenstapels zu verhindern.
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Um eine Stickstoffschädigung des Brennstoffzellenstapels zu verhindern, kann der Stickstoff von der Anodenseite zusammen mit Anodenabfluss, der nicht verwendeten Wasserstoff enthält, entlüftet werden, wie dies beispielsweise in der
DE 103 04 657 A1 oder in der
DE 10 2004 008 703 A1 beschrieben wird. Das Entlüften von nicht verwendetem Wasserstoff verringert jedoch den Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels und begrenzt den Betriebsbereich des Brennstoffzellenstapels für eine gegebene Menge gespeicherten Wasserstoffs. Somit muss die Notwendigkeit zum Entfernen von Stickstoff von der Anodenseite und die Anforderung, ein Entlüften von nicht verwendetem Wasserstoff zu vermeiden, in Ausgleich gebracht werden. Demgemäß wäre es vorteilhaft, ein Regelschema vorzusehen, bei dem die Notwendigkeit zum Entlüften von Stickstoff von der Anodenseite mit der Anforderung in Ausgleich steht, einen effizienten Betrieb des Brennstoffzellenstapels und einen akzeptablen Betriebsbereich vorzusehen. Es wäre weiter vorteilhaft, wenn ein derartiges Regelschema die Verwendung teurer zweckgebundener Sensoren oder ähnlicher Vorrichtungen vermeidet, um die Stickstoffkonzentration in der Anodenseite zu bestimmen und/oder zu überwachen. Überdies wäre es vorteilhaft, wenn ein derartiges Regelschema eine bereits in dem Brennstoffzellensystem vorhandene existierende Ausstattung verwendet. Weitere Verfahren zum Betreiben von Brennstoffzellen finden sich in den Schriften
US 2004/0121204 A1 ,
US 2003/0022042 A1 und
DE 10 2004 031 162 A1 .
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit zu schaffen, um möglichst frühzeitig einer Schädigung eines Brennstoffzellenstapels entgegenzuwirken.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und die Merkmale der abhängigen Ansprüche gelöst.
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Es hat sich gezeigt, dass zwischen einer Abweichung des Spannungsausgangs der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels und einem Pegel von Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels eine Korrelation existiert. Die Korrelation liefert einen indirekten Hinweis auf den Stickstoffpegel in der Anodenseite. Die Korrelation kann die Sensitivität eines bestimmten Brennstoffzellenstapels gegenüber Stickstoffschädigung berücksichtigen. Auf Grundlage dieser Korrelation kann die Abweichung des Spannungsausgangs dazu verwendet werden, die Anodenabflussentlüftungsanforderungen zu bestimmen, die mit der Anforderung nach einem effizienten Betrieb des Brennstoffzellenstapels und nach einem akzeptablen Betriebsbereich in Ausgleich gebracht werden kann.
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Es ist ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems offenbart, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
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Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind 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 bestimmt sind.
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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 gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist; und
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2 ein vereinfachtes Flussdiagramm ist, das das Verfahren zum Regeln des Stickstoffanteils in der Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken. Der Begriff ”Modul”, der hier verwendet ist, betrifft einen anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (geteilt, zweckgebunden oder eine Gruppe) und einen Speicher, der eines oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführt, eine Schaltung mit kombinatorischer Logik oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität vorsehen.
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 20 gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 20 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 22, der aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen besteht, die relativ zueinander in einer gestapelten Anordnung angeordnet sind. Jede Brennstoffzelle besitzt eine Anodenseite und eine Kathodenseite zur Aufnahme eines jeweiligen wasserstoffhaltigen Anodenreaktanden und sauerstoffhaltigen Kathodenreaktanden. Der Brennstoffzellenstapel 22 dient dazu, die Anoden- und Kathodenreaktanden in Elektrizität, einen wasserstoffhaltigen Anodenabfluss und einen sauerstoffhaltigen Kathodenabfluss umzuwandeln.
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Ein sauerstoffhaltiger Kathodenreaktandenstrom 24 kann von einer Vielzahl von Quellen an den Brennstoffzellenstapel 22 geliefert werden. Die Quellen können beispielsweise Luft umfassen, die von einer Speichervorrichtung geliefert wird, oder Luft umfassen, die von der Umgebung entnommen wird, in der das Brennstoffzellensystem 20 arbeitet. Die an den Brennstoffzellenstapel 22 gelieferte Luft enthält Sauerstoff zusammen mit Stickstoff. Ein Anteil des Stickstoffs in der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 22 kann durch die die Anoden- und Kathodenströmungsfelder trennende Membran an die Anodenseite dringen. Die Lieferung des Kathodenreaktandenstroms 24 an den Brennstoffzellenstapel 22 wie auch die Entlüftung des in dem Brennstoffzellenstapel 22 erzeugten Kathodenabflusses wird hier nicht detailliert beschrieben. Es sei zu verstehen, dass der Kathodenreaktand an den Brennstoffzellenstapel 22 in einer Menge geliefert wird, die ausreichend ist, um die Betriebsanforderungen, die an das Brennstoffzellensystem 20 gestellt sind, zu erfüllen, und dass der Kathodenabfluss nach Bedarf von dem Brennstoffzellenstapel 22 entfernt wird.
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Ein wasserstoffhaltiger Anodenreaktandenstrom 26 kann an den Brennstoffzellenstapel 22 aus einer Vielzahl von Quellen geliefert werden. Diese Quellen können beispielsweise einen Reformatstrom von einem Reformer und Wasserstoff von einer Wasserstoffspeichervorrichtung umfassen. Die Lieferung von Anodenreaktandenstrom 26 an den Brennstoffzellenstapel 22 ist hier nicht detailliert beschrieben. Es sei zu verstehen, dass der Anodenreaktandenstrom 26 an den Brennstoffzellenstapel 22 in einer Menge geliefert wird, die ausreichend ist, um die an das Brennstoffzellensystem 20 gestellten Anforderungen zu erfüllen.
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In dem Brennstoffzellenstapel 22 wird ein Anodenabfluss erzeugt. Der Anodenabfluss umfasst nicht verwendeten Wasserstoff und Stickstoff, der durch die die Anoden- und Kathodenseiten trennende Membran hindurch gedrungen ist. Der Anodenabfluss wird von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 22 durch einen Strömungspfad 28 entlüftet, der darin ein automatisch geregeltes Ablassventil oder eine ähnliche Vorrichtung 30 umfasst. Das Ablassventil 30 kann zwischen einer offenen und einer geschlossenen Stellung betätigbar sein oder kann alternativ dazu ein Proportionalventil oder eine Vorrichtung sein, die ermöglicht, dass ein Strömungspfad 28 zwischen Null bis 100 Prozent geöffnet werden kann. Ein Betrieb des Ablassventils 30 wird durch einen Controller 32 ausgeführt, wie nachfolgend beschrieben ist.
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Das Brennstoffzellensystem 20 umfasst auch eine Zellenspannungsüberwachungseinrichtung 34, die dazu dient, das elektrische Potential bzw. die Spannungserzeugung einzelner Gruppen von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 22 beim Betrieb des Brennstoffzellenstapels zu überwachen und damit sicherzustellen, dass jede Brennstoffzelle in dem Stapel richtig arbeitet. Genauer ist jede Gruppe von Zellen in dem Brennstoffzellenstapel 22 elektrisch mit einer Spannungseinheit (nicht gezeigt) gekoppelt, die die Spannung jeder Gruppe und die Gesamtabgabeleistung des Brennstoffzellenstapels 22 überwacht. Jede Gruppenspannungseinheit umfasst eine Vielzahl von Verarbeitungsmodulen (nicht gezeigt) und elektrischen Verbindern (nicht gezeigt) zur elektrischen Verbindung mit gewünschten bipolaren Platten in dem Brennstoffzellenstapel 22 und liefert Signale, die diese Spannungen angeben, als einen Ausgang an den Controller 32. Die Zellenspannungsüberwachungseinrichtung 34 kann die Spannungsabgabe jeder Gruppe von Brennstoffzellen zusammen mit der Gesamtabgabespannung des Brennstoffzellenstapels 22 überwachen. Die Zellenspannungsüberwachungseinrichtung 34 steht mit dem Controller 32 in Verbindung, um den Controller 32 mit der Spannungsproduktion des Brennstoffzellenstapels 22 zusammen mit den überwachten Brennstoffzellen zu versorgen. Der Controller 32 verwendet die Spannungsabgabe der Brennstoffzellen und des Brennstoffzellenstapels, um das Entlüften des Anodenabflusses von dem Brennstoffzellenstapel 22 zu regeln und zu koordinieren, wie nachfolgend beschrieben ist.
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Der Controller 32 betätigt das Ablassventil 30, um selektiv Anodenabfluss von dem Brennstoffzellenstapel 22 zu entlüften. Der Controller bzw. Regler kann ein eigenständiger Controller oder Teil eines größeren Controllers sein, der den Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 regelt und koordiniert. Zusätzlich kann die Zellenspannungsüberwachungseinrichtung 34 in einem einzelnen Paket zusammen mit dem Controller 32 enthalten sein. Der Controller 32 nimmt die von der Zellenspannungsüberwachungseinrichtung 34 berichteten Zellenspannungen auf und bestimmt eine Abweichung in diesen Spannungen. Alternativ dazu kann die Zellenspannungsüberwachungseinrichtung 34 die Spannungsabweichung bestimmen und diese an den Controller 32 berichten. Die Abweichung kann für Gruppen von Brennstoffzellen, benachbart oder nicht benachbart, nach Bedarf bestimmt werden. Der Controller 32 kann die Abweichung in der Spannungsabgabe auf eine Vielzahl von Wegen bestimmen. Beispielsweise kann eine quadratische Differenz zwischen der überwachten Spannung (von Gruppen von Brennstoffzellen) und eine durchschnittliche Spannung für ähnliche Komponenten (andere Brennstoffzellen oder Gruppen von Brennstoffzellen) verwendet werden und/oder eine quadratische Differenz zwischen der überwachten Spannung (von Gruppen von Brennstoffzellen) zu einem Zeitpunkt und einem oder mehreren vorangehenden oder nachfolgenden Zeitpunkten verwendet werden. Um die Entlüftungsanforderung zu bestimmen, verwendet der Controller 32 eine Korrelation zwischen der Spannungsabweichung und der Stickstoffkonzentration in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 22. Die Korrelation sorgt für eine indirekte Angabe des Pegels des Stickstoffs in der Anodenseite. Auf Grundlage dieser Korrelation wird eine Entlüftungsanforderung entwickelt, um eine Schädigung der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels mit Stickstoff zu verhindern, wodurch ein stabiler Betrieb sichergestellt wird. Verschiedene Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapel können unterschiedliche Sensitivitäten oder Toleranzen für Stickstoff besitzen, bevor eine Schädigung auftritt. Ferner kann sich diese Sensitivität oder Toleranz mit der Zeit ändern. Die Entlüftungsanforderung kann diese Änderungen bis zu einem bestimmten Grad aufgrund der Verwendung der Spannungsabweichung berücksichtigen. Der Controller 32 kann auch andere Betriebsparameter bei der Bestimmung der erforderlichen Entlüftung des Anodenabflusses von dem Brennstoffzellenstapel 22 verwenden. Beispielsweise kann der Controller 32 die Stromdichte (Strom geteilt durch die aktive Fläche) des Brennstoffzellenstapels und/oder die Leistungsanforderung, die an den Brennstoffzellenstapel angelegt ist, verwenden, wenn das erforderliche Ablassen von Anodenabfluss (wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist) bestimmt werden soll. Der Controller 32 überwacht auch die Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 20, so dass das Entlüften des Anodenabflusses nach Bedarf mit dem Gesamtbetrieb des Brennstoffzellensystems 20 koordiniert wird.
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Der Controller 32 kann eine Vielzahl von Regelstrategien verwenden, um das selektive Entlüften von Anodenabfluss von dem Brennstoffzellenstapel 22 auf Grundlage der Korrelation zwischen der Stickstoffkonzentration und der Abweichung der Spannungsabgabe zu erreichen. Erfindungsgemäß verwendet der Controller 32 eine Strategie mit zwei Einstellpunkten, wobei, wenn die Abweichung einen ersten Einstellpunktwert überschreitet, eine Bestimmung durchgeführt wird, dass ein Ablassen von Anodenabfluss erforderlich ist. Der Controller 32 bewirkt dann zu einem geeigneten Zeitpunkt ein Ablassen des Anodenabflusses durch den Betrieb des Ablassventils 30. Wenn die Spannungsabweichung unter einen zweiten Einstellpunktwert vermindert ist, wird eine Bestimmung durchgeführt, dass das Ablassen von Anodenabfluss nicht mehr erforderlich ist. Der Controller 32 bewirkt dann zu einem geeigneten Zeitpunkt eine Beendigung des Entlüftens von Anodenabfluss durch Betrieb des Ablassventils 30.
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Der Controller 32 kann auf eine Nachschlagetabelle 38 zugreifen, um die zulässige Abweichung der Spannung für die bestimmten Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 20 zu bestimmen. Beispielsweise kann der Controller 32 eine Nachschlagetabelle 38 verwenden, um die beiden Einstellpunktwerte zu bestimmen, wenn die Regelstrategie mit zwei Einstellpunkten verwendet wird. Diese Werte können für verschiedene Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 20, wie beispielsweise die Stromdichte, verschieden sein. Die zulässige Abweichung der Spannungsproduktion kann mit zunehmender Stromdichte zunehmen. Somit kann, wenn der Brennstoffzellenstapel 22 in einer Leerlaufbetriebsart (niedrige Stromdichte) arbeitet, eine Gruppe von Einstellpunkten verwendet werden, während eine andere Gruppe von Einstellpunkten verwendet wird, wenn der Stapel 22 mit Vollleistung (hohe Stromdichte) arbeitet. Somit kann sich die zulässige Abweichung der Spannung für verschiedene Betriebsbedingungen unterscheiden, und der Controller 32 kann auf die Nachschlagetabelle 38 zugreifen, um die geeigneten Werte für die Einstellpunkte, die von dem Controller 32 verwendet werden sollen, zu bestimmen. Die Daten in der Nachschlagetabelle 38 können auf empirischen Daten von einem repräsentativen Brennstoffzellensystem oder auf Simulationsergebnissen basieren. Die Werte in der Nachschlagetabelle 38 können für andere Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels 22, wie beispielsweise sich ändernde Temperatur, sich ändernde Stromdichte wie auch sich ändernde Leistungsanforderung, angepasst werden.
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Wenn die Einstellpunkte gebildet sind und wenn bestimmt wurde, dass ein Ablassen von Anodenabfluss erforderlich ist, kann das Ablassen in einer Vielzahl von Wegen durchgeführt werden, die von dem Betrieb des Ablassventils 30 abhängen. Wenn das Ablassventil 30 ein einfaches Offen-/Geschlossen-Ventil ist, weist der Controller 32 ein Öffnen des Ablassventils 30 an. Das Öffnen des Ablassventils 30 kann jedoch auf Grundlage einer Koordination des Entlüftens mit anderen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 20 verzögert werden. Somit wird, wenn der geeignete Zeitpunkt gekommen ist, das Ablassventil 30 geöffnet, und das Entlüften des Anodenabflusses beginnt. Wenn die Spannungsabweichung unter den zweiten Einstellpunktwert abfällt, weist der Controller 32, wenn der geeignete Zeitpunkt kommt, das Ablassventil 30 an, zu schließen, und das Entlüften des Anodenabflusses endet. Wenn das zulässige Fenster zum Entlüften von Anodenabfluss endet, bevor die Bedingung des zweiten Einstellpunktes erfüllt ist, wird das Ablassventil 30 wiederum bei der nächsten verfügbaren Gelegenheit geöffnet, um das Entlüften von Anodenabfluss fortzusetzen, bis die Bedingung des zweiten Einstellpunktes erreicht ist. Wenn das Ablassventil 30 ein Proportionalventil ist, kann auch eine Nachschlagetabelle 38 einen gewünschten Prozentsatz zum Öffnen des Ablassventils 30 zusätzlich zu den beiden Einstellpunkten vorsehen. Der Controller 32 weist dann das Ablassventil 30 an, um den bestimmten Prozentsatz zu öffnen, wenn die Bedingung des ersten Einstellpunktes erreicht ist, und weist das Ablassventil 30 an, zu schließen, wenn die Bedingung des zweiten Einstellpunktes erreicht ist. Wiederum wird das Öffnen und Schließen des Ablassventils 30 mit dem Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 koordiniert. Ferner kann der Controller 32 den Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 so regeln, dass ein gewünschter Druckunterschied über das Ablassventil 30 vor einer Entlüftung vorhanden ist, um eine gewünschte Entlüftungsströmungsrate bzw. einen gewünschten Entlüftungsdurchsatz vorzusehen.
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Bei einer zweiten Regelstrategie verwendet der Controller 32 ein Proportionalregelschema (P-Regelschema), um die Entlüftungsanforderungen des Anodenabflusses zu bestimmen. Wenn beispielsweise die Abweichung der Spannung einen vorbestimmten Wert (entweder festgelegt oder aus einer Nachschlagetabelle 38) überschreitet, bestimmt der Controller 32, dass eine Anodenentlüftung erforderlich ist. Der Controller 32 bewirkt dann zu einem geeigneten Zeitpunkt eine Entlüftung des Anodenabflusses durch den Betrieb des Ablassventils 30. Je weiter weg die Spannungsabweichung von dem vorbestimmten Wert ist, um so mehr Anodenabfluss wird entlüftet. Wenn das Ablassventil 30 ein einfaches Offen-/Geschlossen-Ventil ist, stellt die Regelstrategie die Zeitdauer her, für die das Ablassventil 30 offen sein sollte, um die Entlüftungsanforderungen zu erfüllen. Wenn das Ablassventil 30 ein Proportionalventil ist, bestimmt der Controller 32 den Prozentsatz der Öffnung des Ablassventils 30 für die zulässige Zeitdauer (Zeit, die zum Entlüften von Anodenabfluss verfügbar ist, ohne den Bereich bzw. den Wirkungsgrad und/oder die Haltbarkeit des Brennstoffzellensystems 20 zu beeinträchtigen) zum Entlüften von Anodenabfluss. Je weiter die Abweichung von dem vorbestimmten Wert weg liegt, um so länger ist die Dauer, um die das Ablassventil 30 geöffnet bleibt, und/oder um so größer ist der Prozentsatz, um den das Ablassventil 30 geöffnet wird. Wiederum kann der Controller 32 auch einen Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 regeln, so dass eine gewünschte Druckdifferenz über das Ablassventil 30 vor einem Entlüften auftritt, um einen gewünschten Entlüftungsdurchsatz vorzusehen.
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Bei einer dritten Regelstrategie verwendet der Controller 32 ein Proportional-Integral-Regelschema (ein PI-Regelschema). Wenn ein PI-Regelschema verwendet wird, berücksichtigt der integrative Term (I) eine Abweichung oder einen Versatz der vorbestimmten zulässigen Abweichung und bewegt den Startpunkt (entweder die Zeitdauer, die das Ablassventil 30 offen ist oder die proportionale Öffnung des Ablassventils 30) demgemäß. Wiederum kann eine Nachschlagetabelle 38 verwendet werden, um den vorbestimmten Wert vorzusehen. Ferner kann der integrative Term ein fixierter Term oder eine Variable sein, die durch Zugriff auf eine Nachschlagetabelle 38 bestimmt wird. Der Betrieb des Ablassventils 30 wird dann durch den Controller 32 auf dieselbe Weise, wie oben unter Bezugnahme auf das P-Regelschema beschrieben ist, mit dem Zusatz des integrativen Terms geregelt.
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Somit kann ungeachtet der von dem Controller 32 ausgeführten Regelstrategie das Entlüften des Anodenabflusses auf Grundlage des verwendeten Typs von Ablassventil 30 verschieden sein. Wenn das Ablassventil 30 ein einfaches Offen- oder Geschlossen-Ventil ist, dann kann der Controller 32 die geeignete Zeitdauer bestimmen, in der das Ablassventil 30 in der offenen Stellung bleiben muss, um die gewünschte Entlüftung des Anodenabflusses von dem Brennstoffzellenstapel 22 vorzusehen. Wenn alternativ dazu das Ablassventil 30 ein Proportionalventil ist, kann der Controller 32 den Prozentsatz bestimmen, um den das Ablassventil 30 für eine gegebene oder fixierte Zeitdauer geöffnet werden sollte, die verfügbar ist, um die erforderliche Menge an Anodenreaktand von dem Brennstoffzellenstapel 22 zu entlüften. Wenn ferner ein Proportionalablassventil 30 verwendet wird, kann die Regelstrategie den Prozentsatz der Öffnung des Ablassventils 30 zusammen mit der Zeitdauer zum Beibehalten dieses Öffnungsgrades des Ablassventils 30 bestimmen.
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Zusätzlich kann ungeachtet der von dem Controller 32 ausgeführten Regelstrategie das Entlüften des Anodenabflusses auf Grundlage dessen verschieden sein, ob ein kontinuierliches Entlüften des Anodenabflusses gewünscht ist oder nicht. Das heißt, in einigen Brennstoffzellensystemen soll eine kontinuierliche Entlüftung von Anodenabfluss von dem Brennstoffzellenstapel 22 während seines Betriebs vorgesehen werden. Wenn kontinuierlich entlüftet werden soll, ist das Ablassventil 30 ein Proportionalventil, so dass eine kleine Menge an Anodenabfluss während des Betriebs kontinuierlich entlüftet werden kann. Der Controller 32 koordiniert dann das Entlüften größerer Mengen von Anodenabfluss nach Bedarf auf Grundlage der bestimmten Entlüftungsanforderungen. Das Entlüften des Anodenabflusses mit einer größeren Rate wird auch mit dem Betrieb des Brennstoffzellenstapels koordiniert, um eine Beeinträchtigung des Bereichs/Wirkungsgrads und/oder der Haltbarkeit zu vermeiden.
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Überdies bestimmt ungeachtet der verwendeten Regelstrategie der Controller 32 bevorzugt das erforderliche Entlüften des Anodenabflusses von dem Brennstoffzellenstapel 22, so dass sich die Stickstoffkonzentration auf einem ausreichend niedrigen Niveau befindet, damit der Brennstoffzellenstapel 22 vorbereitet ist, einen Abwärtsübergang in der an den Brennstoffzellenstapel 22 angelegten Leistungsanforderung zu erfüllen, ohne dass eine Schädigung durch Stickstoff auftritt. Durch Beibehaltung des Stickstoffanteils auf einem niedrigen Niveau kann das den schlimmsten Fall betreffende Szenario der Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem 22, die von einer Leerlaufsituation zu einer Situation mit voller Kapazität wechselt, erfüllt werden, ohne dass die Spannungserzeugung instabil wird.
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In 2 ist ein Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wenn das Brennstoffzellensystem 20 betrieben werden soll, werden der Anoden- und Kathodenreaktand in den erforderlichen Mengen an den Brennstoffzellenstapel 22 geliefert, und der Brennstoffzellenstapel 22 beginnt, eine Spannungsabgabe zu erzeugen, wie in Block 70 gezeigt ist. Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22 überwacht die Zellen spannungsüberwachungseinrichtung 34 die Spannungsproduktion gewählter Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 22, wie in Block 72 gezeigt ist. Die Zellenspannungsüberwachungseinrichtung 34 kann die Spannungsproduktion von Gruppen von Brennstoffzellen überwachen. Die Spannungsproduktion der gewählten Brennstoffzellen wird an den Controller 32 geliefert. Der Controller 32 bestimmt dann die Abweichung der Spannungsproduktion, die in Block 74 gezeigt ist. Auf Grundlage dieser Abweichung bestimmt der Controller 32 die Entlüftungsanforderung für den Anodenabfluss, um eine Schädigung des Brennstoffzellenstapels 22 zu vermeiden, wie in Block 76 gezeigt ist. Der Controller 32 verwendet eine der oben beschriebenen Regelstrategien, um die Anforderung zum Entlüften des Anodenabflusses zu bestimmen. Wenn die Entlüftungsanforderung bestimmt ist, entlüftet der Controller 32 dann selektiv Anodenabfluss von dem Brennstoffzellenstapel 22, um die bestimmte Entlüftungsanforderung zu erfüllen, wie bei Block 78 gezeigt ist.
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Das Entlüften von Anodenabfluss kann für eine festgelegte Zeitdauer und/oder mit einem fixierten oder variablen Anteil der Kapazität des Entlüftungsventils 30 erfolgen, wie oben beschrieben ist. Der Controller 32 überwacht, ob der Brennstoffzellenstapel 22 arbeitet. Wenn der Brennstoffzellenstapel 22 arbeitet, läuft der in den Blöcken 72–78 offenbarte Prozess weiterhin ab, wie durch den Entscheidungsblock 80 gezeigt ist. Sobald bestimmt wird, dass der Brennstoffzellenstapel 22 nicht mehr arbeitet, endet die Verwendung der Abweichung bei der Spannungserzeugung, um die Entlüftungsanforderung des Anodenabflusses von dem Brennstoffzellenstapel 22 zu bestimmen, wie in Block 82 gezeigt ist. Während die vorliegende Regelstrategie die Entlüftungsanforderungen beim Abschalten des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 22 nicht berücksichtigt, sei angemerkt, dass der Anodenabfluss von dem Brennstoffzellenstapel 22 in einer geeigneten Weise während des Abschaltens des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 22 entlüftet werden kann. Ferner sei angemerkt, dass die Abweichung der Zellenspannung auch beim Regeln oder Unterstützen des Starts des Brennstoffzellenstapels 22 verwendet werden kann. Beispielsweise kann eine stabile Spannungsabweichung, sobald sie hergestellt ist, als ein Hinweis für einen beendeten Start verwendet werden.
