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REGIERUNGSVERTRAG
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Die
U. S. Regierung kann eine bezahlte Lizenz an dieser Erfindung und
das Recht in beschränktem Umfang
besitzen, den Patentinhaber aufzufordern, Andere zu vernünftigen
Bedingungen zu lizenzieren, wie durch die Bedingungen des Regierungsvertrags/Projekts
vorgesehen ist, wie durch das U. S.-Department of Energy zuerkannt
ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffzellensystem, das eine
Zellenspannungsinstabilität aufgrund
von Wasserstoffverarmung korrigiert, und insbesondere ein Brennstoffzellensystem,
das geteilte Unterstapel aufweist und, bevor ein reaktives anodenseitiges
Ablassen angewiesen wird, frischen Wasserstoff in einen schwachen
Unterstapel in einem Bestreben injiziert, eine Erholung von einer
geringen Zellenspannung und eine Verbesserung der Systemstabilität zu erreichen.
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2. Beschreibung der verwandten
Technik
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Wasserstoff
ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und dazu verwendet
werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle
zu erzeugen. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische
Vor richtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt
dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die
Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird
in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen.
Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Protonen
reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode,
um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht
durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in
der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen
(PEMFC) stellen eine populäre
Brennstoffzelle für Fahrzeuge
dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran
auf, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran.
Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel,
gewöhnlich
Platin (Pt), auf, die auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und
mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird
auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination
der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung
und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen
für einen
effektiven Betrieb.
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Typischerweise
werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel
kombiniert, um die gewünschte
Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel
für ein
Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen.
Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsreaktandengas,
typischerweise eine Strömung
aus Luft auf, die mittels eines Kompressors durch den Stapel getrieben
wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht,
und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas aus gegeben, das
Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel
nimmt auch ein Anodenwasserstoffreaktandengas auf, das in die Anodenseite
des Stapels strömt.
Der Stapel weist auch Strömungskanäle auf,
durch die ein Kühlfluid
strömt.
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Der
Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von Bipolarplatten auf,
die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind,
wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert
sind. Die Bipolarplatten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite
für benachbarte
Brennstoffzellen in dem Stapel auf. Auf der Anodenseite der Bipolarplatten
sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen,
die ermöglichen,
dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann.
Auf der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen,
die ermöglichen,
dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann.
Eine Endplatte weist Anodengasströmungskanäle auf, und die andere Endplatte
weist Kathodengasströmungskanäle auf.
Die Bipolarplatten und die Endplatten bestehen aus einem leitenden
Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Verbundstoff
bzw. Komposit. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen
erzeugte Elektrizität
aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten weisen auch Strömungskanäle auf,
durch die ein Kühlfluid
strömt.
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Die
MEAs sind permeabel und ermöglichen
somit, dass Stickstoff in der Luft von der Kathodenseite des Stapels
hindurch dringen und sich in der Anodenseite des Stapels sammeln
kann, was in der Industrie als ein Stickstoffübertritt bezeichnet wird. Obwohl
der anodenseitige Druck höher
als der kathodenseitige Druck sein kann, bewirken die kathodenseitigen
Partialdrücke,
dass Luft durch die Membran hindurch dringt. Stickstoff in der Anodenseite
des Brennstoffzellenstapels verdünnt
den Wasserstoff derart, dass, wenn die Stickstoffkonzentration über einen
bestimmten Prozentsatz, wie 50%, zunimmt, der Brennstoffzellenstapel
instabil wird und ausfallen kann. In der Technik ist es bekannt,
ein Ablassventil an dem Anodenabgasausgang des Brennstoffzellenstapels
vorzusehen, um Stickstoff von der Anodenseite des Stapels zu entfernen.
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Einige
Brennstoffzellensysteme verwenden einen Anodenströmungswechsel,
bei dem der Brennstoffzellenstapel in Unterstapel geteilt ist und
das Anodenreaktandengas durch die geteilten Unterstapel in abwechselnden
Richtungen geführt
wird. Bei diesen Konstruktionstypen ist manchmal eine Ablassverteilereinheit (BMU)
zwischen den geteilten Unterstapeln vorgesehen, die die Ventile
zur Bereitstellung des Ablassens von Anodenabgas aufweist.
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Es
kann ein Algorithmus verwendet werden, um eine prozessgekoppelte
bzw. online erfolgende Abschätzung
der Stickstoffkonzentration in dem Anodenabgas während eines Stapelbetriebs
bereitzustellen, um Kenntnis darüber
zu erlangen, wann das Ablassen des Anodenabgases ausgelöst werden
soll. Der Algorithmus kann die Stickstoffkonzentration über die
Zeit in der Anodenseite des Stapels auf Grundlage der Permeationsrate
von der Kathodenseite zu der Anodenseite und der periodischen Ablassungen
des Anodenabgases verfolgen. Wenn der Algorithmus eine Zunahme in
der Stickstoffkonzentration über
eine vorbestimmte Schwelle, beispielsweise 10%, berechnet, kann
dieser das Ablassen auslösen.
Dieses Ablassen, das als ein proaktives Ablassen bezeichnet wird,
wird typischerweise für
eine Zeitdauer ausgeführt,
die ermöglicht,
dass mehrere Stapelanodenvolumen abgelassen werden können, wodurch
die Stickstoffkonzentration unter die Schwelle reduziert wird.
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Ein
anderer Typ eines bekannten Ablassens von Anodenabgas ist als ein
reaktives Ablassen bekannt. Bei einem reaktiven Ablassen berechnet
ein Algorithmus die Brennstoffzellenspannungen und löst ein Ablassen
aus, wenn eine Schwelle einer Zellenspannungsspreizung des Stapels überschritten
wird. Die Zellenspannungsspreizung ist die Differenz zwischen den
maximalen und minimalen Zellenspannungen eines geteilten Unterstapels.
Der Zweck des reaktiven Ablassens besteht darin, die Zellenspreizung
aufgrund einer Zellenverarmung zu reduzieren. Dies ist typischerweise
auf eine übermäßige Stickstoffansammlung
oder ein Fluten mit flüssigem
Wasser in den Strömungsfeldern
in der Anodenseite des Stapels zurückzuführen.
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Wenn
in einem System mit geteilten Unterstapeln ein reaktives Ablassen
angewiesen wird, bestimmt der Systemcontroller typischerweise auf
Grundlage der gegenwärtigen
Wechselrichtung der Anodenströmung, welches
Ablassventil zu öffnen
ist. Bei einem bekannten System wird ein Sägezahnanweisungssignal verwendet,
um zu bestimmen, welcher der geteilten Unterstapel zu einem beliebigen
bestimmten Zeitpunkt Wasserstoff aufnimmt. Das Sägezahnanweisungssignal basiert
auf einem Bereich von Werten zwischen 0 bis 1, wobei, wenn das Sägezahnanweisungssignal
zwischen 0 und 0,5 liegt, dann Wasserstoff an einen ersten Unterstapel
geliefert wird, und, wenn das Sägezahnanweisungssignal
zwischen 0,5 und 1 liegt, der Strömungswechsel umgekehrt wird
und der Wasserstoff an den zweiten geteilten Unterstapel geliefert
wird. Während
einer Ablassanweisung wird das Ablassventil für den Unterstapel, der sich
stromabwärts
des Unterstapels, der den frischen Wasserstoff aufnimmt, befindet,
geöffnet,
wobei der Strömungswechsel
in dieser Konfiguration bleibt, bis die Ablassanforderung beendet
ist. Wenn die Ablassanforderung beendet ist, wird das Anweisungssignal auf
0 zurückgesetzt,
so dass der erste Unterstapel stets derjenige Unterstapel ist, der
zuerst frischen Wasserstoff aufnimmt, nachdem eine Ablassanforderung
beendet worden ist.
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Mit
diesem Typ von Anweisung für
Anodenströmungswechsel
und Ablassanforderungen können
zwei Probleme beobachtet werden. Zuerst kann, wenn eine Zellenspannungsspreizung
von einem der geteilten Unterstapel eine Spreizungsschwelle überschreitet
und ein reaktives Ablassen angewiesen ist, die Orientierung des
Strömungswechsels
derart sein, dass es sein kann, dass der schwache Unterstapel mit
der größten Zellenspannungsspreizung
nicht derjenige ist, der gegenwärtig
Wasserstoff aufnimmt, und somit derjenige ist, von dem das Ablassen
stattfindet. Mit anderen Worten, wenn einer der Unterstapel eine
leistungsschwache Zelle aufweist und dieser Unterstapel der stromabwärtige Unterstapel
für die
gegenwärtige
Strömungswechselrichtung
ist, dann wird das reaktive Ablassen, das angewiesen wird, frischen
Wasserstoff in den anderen Unterstapel injizieren und das Ablassen
wird durch das Ablassventil an dem Ausgang des leistungsschwachen
Unterstapels vorgesehen. Somit ist der stabilere der beiden Unterstapel
derjenige Unterstapel, der den frischen Wasserstoff während des
Ablassereignisses aufnimmt, was zur Folge hat, dass die Spannungsspreizung
des schwachen Unterstapels zunimmt.
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Ferner
wird, nachdem die Ablassanforderung beendet ist, das Sägezahnanweisungssignal
auf 0 zurückgestellt,
so dass derselbe Unterstapel stets derjenige ist, der den Wasserstoff
zuerst aufnimmt. Dies bewirkt, dass der Unterstapel, der Wasserstoff
durch das Sägezahnanweisungssignal
während
0 bis 0,5 aufnimmt, 50% mehr Wasserstoff aufnimmt, als der andere
Unterstapel. Diese Situation kann wie folgt dargestellt werden.
Es wird angenommen, dass die Ablassanforderungsdauer τ ist und
die Sägezahnanweisungssignalperiode
T ist. In einer Situation des ungünstigsten Falles wird als Folge
der Rückstellung
des Sägezahnanweisungssignals
auf 0, nachdem eine Ablassanforderung beendet ist, die Dauer für den zweiten
Unterstapel zur Aufnahme von Wasserstoff τ + T/2 und die Dauer für den ersten
Unterstapel zur Aufnahme von Wasserstoff wird τ + T. Daher ist das Verhältnis der
Dauer für
jeden Unterstapel, der frischen Wasserstoff aufnimmt, gegeben durch:
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Für eine geringe
Stromdichte ist die Ablassanforderungsdauer τ gewöhnlich klein im Vergleich zu
der Sägezahnanweisungssignalperiode
T, und daher ist R
AzuB groß. Beispielsweise
ist für
eine Stapelstromdichte j = 0,1 die Sägezahnanweisungssignalwechselperiode
T = 6,09 Sekunden und die Ablassperiode τ = 3 s. Daher gilt:
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Dies
bedeutet, dass der erste Unterstapel dazu neigt, für dieselbe
Ablassanforderungsbedingung Wasserstoff 50% häufiger aufzunehmen, als der
zweite Unterstapel. Diese Berechnung erläutert auch, dass ein Stapelspannungsabfall
bei Bedingungen mit geringer Stromdichte öfters auftritt und bei dem
zweiten Unterstapel die Tendenz besteht, öfters der schwache Stapel zu
sein.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung sind ein System und ein Verfahren zum
Korrigieren einer großen
Brennstoffzellenspannungsspreizung für ein Brennstoffzellensystem
mit geteiltem Unterstapel offenbart.
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Das
System umfasst eine Wasserstoffquelle, die Wasserstoff an jeden
geteilten Unterstapel liefert, und Ablassventile zum Ablassen der
Anodenseite der Unterstapel. Das System weist auch eine Spannungsmessvorrichtung
zum Messen der Spannung jeder Zelle in den geteilten Unterstapeln
auf. Das System sieht zwei Niveaus zur Korrektur eines großen Stapelspannungsspreizungsproblems
vor. Das erste Niveau umfasst, dass, gut bevor ein normales reaktives
Ablassen stattfindet, frischer Wasserstoff an den schwachen Unterstapel
geliefert wird, und das zweite Niveau umfasst, dass frischer Wasserstoff
an den schwachen Unterstapel geliefert wird und das Ablassventil
des anderen Unterstapels geöffnet
wird, wenn die Zellenspannungsspreizung nahe einem Stapelausfall
ist.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
wird, nachdem eine Ablassanforderung beendet ist, ein Sägezahnanweisungssignal,
das die Strömungswechselrichtung
für das
System bestimmt, zurückgestellt,
so dass der Unterstapel, der keinen frischen Wasserstoff erhalten
hat, als die Ablassanforderung eingeleitet wurde, der erste ist,
der frischen Wasserstoff aufnimmt, nachdem die Ablassanforderung
beendet ist.
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Zusätzliche
Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
und den angefügten
Ansprüchen
in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein schematisches Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems mit
geteiltem Unterstapel;
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2 ist
ein Diagramm mit der Zeit an der horizontalen Achse und einer Größe an der
vertikalen Achse, die ein Sägezahnanweisungssignal
zur Bestimmung der Anodenströmungswechselabfolge
für die
geteilten Unterstapel eines Brennstoffzellensystems mit geteiltem
Stapel zeigt; und
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3 ist
ein Flussschaubild, das einen Prozess zum Korrigieren einer geringen
Stapelzellenspannungsspreizung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgende Diskussion der Ausführungsformen
der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Korrigieren
einer großen
Stapelzellenspannungsspreizung für
einen geteilten Unterstapel und ein Brennstoffzellensystem gerichtet
ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt,
die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
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1 ist
ein schematisches Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems 10,
das geteilte Brennstoffzellen-Unterstapel 12 und 14 aufweist,
die unter Anodenströmungswechsel
arbeiten. Wenn die Strömung in
einer Richtung erfolgt, injiziert eine Injektorbank 16 frischen
Wasserstoff in die Anodenseite des Unterstapels 12 auf
einer Anodeneingangsleitung 24. Anodengas, das von dem
Unterstapel 12 ausgegeben wird, wird an den Unterstapel 14 auf
einer Verbindungsleitung 20 geliefert. Wenn die Strömung in
der entgegengesetzten Richtung erfolgt, injiziert eine Injektorbank 18 frischen
Wasserstoff in die Anodenseite des Unterstapels 14 auf der
Anodeneingangsleitung 26, der von dem Unterstapel 14 ausgegeben
und an den Unterstapel 12 auf Leitung 20 geliefert
wird.
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An
einem Anodeneingang zu den geteilten Unterstapeln 12 und 14 ist
eine BMU 30 vorgesehen, die ein Ablassen von Anodenabgas
während
bestimmter Zeiten auf Grundlage irgendeines geeigneten Ablassplans
bereitstellt, um Stickstoff von der Anodenseite der Unterstapel 12 und 14 zu
entfernen. Die BMU 30 umfasst eine Leitung 32,
die die Anodeneingangsleitungen 24 und 26 verbindet,
und eine Austragsleitung 34, die die Leitung 32 mit
dem Austrag des Systems 10, typischerweise dem kathodenseitigen
Austrag der Unterstapel 12 und 14, verbindet.
In der Leitung 32 ist nahe dem Unterstapel 12 ein
erstes Ablassventil 36 vorgesehen, und in der Leitung 32 ist
nahe dem Unterstapel 14 ein zweites Ablassventil 38 vorgesehen.
Ein Austragsventil 40 ist in der Leitung 34 vorgesehen,
das während
des Anodenablassens und anderer Zeiten, wie es erforderlich ist,
geöffnet
ist.
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Das
System 10 weist auch eine Zellenspannungsüberwachungseinrichtung
(CVM) 46 auf, die die Spannung jeder Zelle in den Unterstapeln 12 und 14 des
Brennstoffzellensystems mit geteiltem Stapel misst. Ein Controller 48 steuert
die Injektorbänke 16 und 18 und
die Ventile 36, 38 und 40. Der Controller 48 nimmt die
Spannungsmesssignale von der CVM 46 auf und bestimmt die
minimale Zellenspannung, die maximale Zellenspannung sowie die Spannungsspreizung
für jeden
der Unterstapel 12 und 14.
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Wenn
das System 10 unter Anodenströmungswechsel arbeitet und kein
Ablassen angewiesen ist, sind die beiden Ablassventile 36 und 38 geschlossen,
so dass abhängig
von der Richtung der Anodengasströmung der Ausgang des zweiten
Unterstapels blind ist bzw. eine Sackgasse bildet. Wenn ein Ablassen
angewiesen wird und die Strömung
in der Richtung von dem Unterstapel 12 zu dem Unterstapel 14 durch
die Leitung 20 erfolgt, dann wird das Ablassventil 38 geöffnet und
das Ablassventil 36 wird geschlossen. Gleichermaßen wird, wenn
ein Ablassen angewiesen ist und die Strömung in der Richtung von dem
Unterstapel 14 zu dem Unterstapel 12 durch die
Leitung 20 erfolgt, dann das erste Ablassventil 36 geöffnet und
das zweite Ablassventil 38 wird geschlossen. Somit wird
das Anodenabgas von der Austragsleitung 34 durch das Austragsventil 40 abgelassen.
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2 ist
ein Diagramm mit der Zeit an der horizontalen Achse und der Größe an der
vertikalen Achse, die ein Sägezahnanweisungssignal
zur Bestimmung der zeitlichen Abfolge des Anodenströmungswechsels zeigt,
wie oben beschrieben ist. Die Steigung der Linie repräsentiert
die Häufigkeit
des Strömungswechsels, und
die Tatsache, ob der Wert der Anweisungslinie zwischen 0 und 0,5
und 0,5 und 1 liegt, bestimmt, welcher der Unterstapel 12 oder 14 gegenwärtig frischen
Wasserstoff aufnimmt. Insbesondere wenn die Anweisungslinie zwischen
0 und 0,5 liegt, nimmt einer der Unterstapel frischen Wasserstoff
auf, und wenn die Anweisung zwischen 0,5 und 1 liegt, kehrt der
Strömungswechsel
um, wobei der andere Unterstapel den frischen Wasserstoff aufnimmt.
Die Plateaus in der Anweisungslinie repräsentieren Zeiten, wenn ein
Ablassen auftritt, wobei der Strömungswechsel
ausgesetzt ist, und der Unterstapel 12 oder 14,
der gegenwärtig
Wasserstoff aufnimmt, bestimmt, dass der andere des Unterstapels 12 oder 14 abgelassen
wird. Wenn die Ablassanforderung beendet wird, wobei das Plateau
endet, ist es offensichtlich, dass das Strömungswechselanweisungssignal
auf 0 zurückgesetzt
wird, so dass derselbe Unterstapel 12 oder 14 der
erste ist, um frischen Wasserstoff aufzunehmen, nachdem eine Ablassanforderung
beendet ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird anstelle des Zurücksetzens des Sägezahnanweisungssignals
auf 0 jedes Mal, wenn eine Ablassanforderung beendet ist, das Sägezahnanweisungssignal
auf das Gegenteil dessen eingestellt, welcher Stapel Wasserstoff
zuletzt aufgenommen hat. Wenn daher eine Ablassanforderung angewiesen
wird, wird, wenn der Unterstapel 12 Wasserstoff aufnimmt,
wobei das Ablassen von dem Unterstapel 14 erfolgt, dann
das Sägezahnanweisungssignal
auf 0 oder 0,5 (entsprechend Unterstapel 14) zurückgesetzt,
so dass der Unterstapel 14 Wasserstoff zuerst aufnimmt,
wenn die Ablassanforderung beendet ist. Wenn gleichermaßen der
Unterstapel 14 Wasserstoff aufnimmt, wird, wenn ein Ablassen
angefordert ist, das Sägezahnanweisungssignal
auf 0 oder 0,5 (entsprechend dem Unterstapel 12) zurückgesetzt, nachdem
die Ablassanforderung beendet ist, so dass der Unterstapel 12 der
erste ist, um Wasserstoff aufzunehmen, wenn die Ablassanforderung
beendet ist.
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Wenn
ein System mit geteiltem Unterstapel einer geringen Zellenspannung
ausgesetzt ist, ist es vorteilhaft zu bestimmen, welcher Unterstapel
leistungsschwach ist, um angemessen auf das Problem zu reagieren.
Die vorliegende Erfindung erkennt, dass eine Injektion von frischem
Wasserstoff in den Unterstapel mit der leistungsschwachen Zelle
vor einem anodenseitigen Ablassen Ergebnisse der Rückgewinnung
der Zellenspannung verbessert. Daher ist ein Algorithmus vorgesehen,
um zu bestimmen, ob die Zellenspannung jedes Unterstapels innerhalb
gewünschter
minimaler Zellenspannungsniveaus liegt und die Zellenspannungsspreizung
innerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt, und wenn dies nicht
der Fall ist, geeignete Abhilfemaßnahmen zu unternehmen.
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3 ist
ein Flussdiagramm 60, das einen Prozess zur Korrektur einer
großen
Zellenspannungsspreizung zeigt. Das Flussdiagramm 60 gilt
für einen
der geteilten Unterstapel 12 und 14, wobei zu
verstehen sei, dass derselbe Betriebsablauf für den anderen Unterstapel 12 oder 14 entweder
gleichzeitig oder auf eine abwechselnde Art und Weise ausgeführt wird.
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Das
System 10 leitet bei Kasten 62 periodisch die
Vorgehensweise zur Überwachung
der Spannungsspreizung des geteilten Unterstapels ein. Bei Kasten 64 bestimmt
der Controller 48, ob die Spannungsspreizung des Unterstapels 12 oder 14 größer als
eine erste Spreizungsschwelle ist. Bei einer nicht beschränkenden
Ausführungsform
beträgt
die erste Schwelle 150 mV, die eine geeignete Spannung signifikant
unterhalb des Wertes darstellt, bei dem ein schnelles Stoppen des
Stapels stattfinden muss, jedoch eine Angabe darüber vorsieht, dass eine der
Zellen in dem Unterstapel 12 oder 14 ausfallen
kann. Wenn die Zellenspannungsspreizung nicht größer als die erste Schwelle
ist, dann kehrt der Algorithmus bei Kasten 62 zu dem Start
zurück.
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Wenn
die Zellenspannungsspreizung des Unterstapels 12 oder 14 an
der Entscheidungsraute 64 größer als die erste Schwelle
ist, was bedeutet, dass die Spannung von zumindest einer der Zellen
in dem Unterstapel 12 oder 14 zu fallen beginnt,
injiziert der Algorithmus bei Kasten 66 Wasserstoff in
diesen Unterstapel 12 oder 14. Nach einer gewissen
vorbestimmten Zeitdauer, beispielsweise 5 Sekunden, bestimmt der
Algorithmus dann an Entscheidungsraute 68, ob das Injizieren
von frischem Wasserstoff in den Unterstapel 12 oder 14 das
Problem der hohen Spannungsspreizung korrigiert, und wenn dies der
Fall ist, fährt
der Algorithmus zu Kasten 70 fort, um das nächste Ablassen
von Anodenabgas abzuwarten.
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Wenn
das Injizieren von Wasserstoff in den Unterstapel 12 oder 14 an
der Entscheidungsraute 68 kein Fallen der Zellenspannungsspreizung
unter die erste Schwelle bewirkt, dann bestimmt der Algorithmus
an Entscheidungsraute 72, ob die Zellenspannungsspreizung
des Unterstapels 12 oder 14 größer als eine zweite Spreizungsschwelle
ist. Die zweite Schwelle ist eine Spannungsspreizung, bei der der
Unterstapel ein ernsthafteres Problem besitzt, bei dem er sich nahe
einem Stapelausfall befinden kann, was einen Schnellstopp erfordern
kann. Bei einer nicht beschränkenden
Ausführungsform
beträgt
die zweite Spannungsspreizungsschwelle etwa 250 mV. Wenn die Zellenspannungsspreizung
des Unterstapels 12 oder 14 an der Entscheidungsraute 72 die
zweite Schwelle nicht erreicht hat, kehrt der Algorithmus dann zu
dem Kasten 66 zurück, um
das Injizieren von frischem Wasserstoff in den Unterstapel 12 und 14 in
der Hoffnung fortzusetzen, dass dieser Prozess schließlich das
Problem korrigiert und die Zellenspannungsspreizung unter die erste
Schwelle fällt.
Zusätzlich
muss man Vorsicht walten lassen, um sicherzustellen, dass der stärkere der
beiden Unterstapel nicht instabil wird, während man sich dem schwachen
Unterstapel durch kontinuierliche Strömung von frischem Wasserstoff
in den schwachen Unterstapel für
eine unbeschränkte
Zeitdauer zuwendet. Somit ist es dringend notwendig, eine Umschaltung
mit einer vorbestimmten periodischen Rate zu erzwingen, um frischen Wasserstoff
kurz in den starken Unterstapel zuzuführen, um proaktiv zu verhindern,
dass der stärkere
Unterstapel eine Wasserstoffverarmung erfährt.
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Wenn
die Zellenspannungsspreizung des Unterstapels 12 oder 14 an
der Entscheidungsraute 72 größer als die zweite Schwelle
ist, was bedeutet, dass ein Injizieren des frischen Wasserstoffs
in den Unterstapel das Problem, das die geringe Zellenspannung bewirkt,
nicht korrigiert, dann fährt
der Algorithmus bei Kasten 74 mit einem Injizieren von
frischem Wasserstoff in den Unterstapel 12 oder 14 fort
und öffnet
das Ablassventil des anderen Stapels 12 oder 14 in
einer fortgesetzten Anstrengung, das Zellenspannungsspreizungsproblem zu
korrigieren. Der Algorithmus bestimmt dann an der Entscheidungsraute 76,
ob die Ablassanforderung beendet worden ist, was auftreten kann,
da die Zellenspannungsspreizung unter die erste Schwelle gefallen
ist, was bedeutet, dass das Injizieren des frischen Wasserstoffs
und das Öffnen
des Ablassventils das Zellenspannungsspreizungsproblem gelöst hat.
Wenn die Ablassanforderung an der Entscheidungsraute 76 beendet
ist, dann kehrt der Algorithmus zu dem Kasten 70 zurück, um das
nächste
reguläre
anodenseitige Ablassen abzuwarten. Wenn jedoch der frische Wasserstoff
und das Ablassen das Zellenspannungsspreizungsproblem nicht korrigieren,
kehrt der Algorithmus bei Kasten 82 zu dem Kasten 74 in
einem Versuch zurück,
den schwachen Unterstapel zu sanieren. Wenn sich nach einer vorbestimmten
Zeitdauer der Zustand des Unterstapels nicht verbessert hat, tritt
eine erzwungene Umschaltung, um den stärkeren Unterstapel zu speisen,
für eine kurze
Zeitdauer vor einer Rückkehr
zu dem Kasten 74 auf. Dieses System bleibt so lange in
einer sich wiederholenden Steuer- bzw. Regelschleife, bis sich entweder
der schwache Unterstapel erholt oder bis die minimale Zellenspannung
weiter unter eine absolute minimale Spannungsschwelle um 0 mV bei
Kasten 80 abfällt,
was bei Kasten 78 in einer Entscheidung resultiert, einen
Schnellstopp vorzusehen.
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Somit
sieht der oben diskutierte Prozess zwei Niveaus zur Korrektur eines
großen
Zellenspannungsspreizungsproblems vor. Das erste Niveau zur Korrektur
des Problems umfasst ein Injizieren von frischem Wasserstoff in
einen ausfallenden Unterstapel, gut bevor ein normales reaktives
Ablassen stattfindet, und das zweite Niveau umfasst ein Injizieren
von frischem Wasserstoff in den ausfallenden Unterstapel und ein Öffnen des
Ablassventils des anderen Unterstapels, wenn die Zellenspannungsspreizung
nahe einem Stapelausfall ist.
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Die
vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer
derartigen Diskussion und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass
verschiedene Änderungen,
Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsge danken
und Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert
ist, durchgeführt
werden können.
