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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein ein System und Verfahren zur Bestimmung einer Änderung der Permeationsrate einer Membran in einer Brennstoffzelle und insbesondere ein System und Verfahren zur Bestimmung einer Änderung der Permeationsrate der Membranen in einem Brennstoffzellenstapel und zur Korrektur einer Stickstoffschätzung in einem Anodensubsystem auf Grundlage der Änderung der Permeationsrate der Membranen.
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2. Diskussion der verwandten Technik
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Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er erneuerbar ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, 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 Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen 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 einen populären Brennstoffzellentyp 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 auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgetragen. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs erfordern eine angemessene Brennstoffversorgung und angemessene Befeuchtung für einen effektiven Betrieb.
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Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Luftströmung auf, die durch den Stapel über einen Verdichter bzw. Kompressor getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
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Ein Brennstoffzellenstapel weist typischerweise eine Serie von bipolaren Platten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die bipolaren Platten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der bipolaren Platten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. An der Kathodenseite der bipolaren Platten 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 bipolaren Platten und Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit bzw. Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die bipolaren Platten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
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Die MEAs sind permeabel und erlauben somit eine Permeation von Stickstoff in der Luft aus der Kathodenseite des Stapels hindurch und Sammlung in der Anodenseite des Stapels, was oftmals als Stickstoffübertritt bezeichnet wird. Obwohl der anodenseitige Druck geringfügig höher als der kathodenseitige Druck sein kann, bewirken die kathodenseitigen Partialdrücke eine Permeation von Sauerstoff und Stickstoff durch die Membran. Der hindurch gedrungene Sauerstoff verbrennt in der Anwesenheit des Anodenkatalysators, jedoch verdünnt der hindurch gedrungene Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels den Wasserstoff. Wenn die Stickstoffkonzentration über einen gewissen Prozentsatz, wie 50%, ansteigt, können die Brennstoffzellen in dem Stapel an Wasserstoff verarmen. Wenn die Anode wasserstoffverarmt wird, ist der Brennstoffzellenstapel nicht mehr in der Lage, eine angemessene elektrische Leistung zu erzeugen, und kann einen Schaden an den Elektroden in dem Brennstoffzellenstapel erleiden.
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In der Technik ist es bekannt, ein Ablassventil an dem Anodenabgasausgang eines Brennstoffzellenstapels bereitzustellen, um Stickstoff von der Anodenseite des Stapels zu entfernen. In der Technik ist es auch bekannt, den Molaranteil von Stickstoff in der Anodenseite unter Verwendung eines Modells zu schätzen, um zu bestimmen, wann das Ablassen der Anodenseite oder des Anodensubsystems auszuführen ist. Jedoch kann die Modellschätzung Fehler enthalten, insbesondere, da mit der Zeit eine Schädigung der Komponenten in dem Brennstoffzellensystem auftritt. Wenn die Schätzung des Stickstoffmolanteils in der Anode signifikant höher als der tatsächliche Stickstoffmolanteil ist, entlüftet das Brennstoffzellensystem mehr Anodengas, als notwendig ist, d. h. verschwendet Brennstoff. Wenn die Schätzung des Stickstoffmolanteils in der Anode signifikant geringer als der tatsächliche Stickstoffmolanteil ist, entlüftet das System nicht ausreichend Anodengas und kann einen Reaktandenmangel der Brennstoffzellen zur Folge haben, was die Elektroden in dem Brennstoffzellenstapel schädigen kann.
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Daher besteht in der Technik ein Bedarf, Änderungen der Brennstoffzellenmembranpermeation zu bestimmen und die detektierte Änderung der Membranpermeation in ein Modell zum Schätzen des Stickstoffdurchflusses von der Kathoden- zu der Anodenseite des Stapels und der Stickstoffkonzentration in der Anodenseite aufzunehmen, um den Anodenbrennstoff effizient zu verwenden und eine Zunahme der Häufigkeit von Anodenreaktandenverarmungsereignissen, wenn die Membranen altern, zu vermeiden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung sind ein System und Verfahren zur Korrektur einer Schätzung von Stickstoff in einer Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels offenbart. Das System umfasst einen Brennstoffzellenstapel und einen Drucksensor zum Messen des Drucks in einem Anodensubsystem. Das System weist auch einen Controller auf, der derart konfiguriert ist, die Schätzung von Stickstoff in der Anodenseite des Stapels mittels einer Stickstoffpermeationseinstellung zu steuern, wobei der Controller bestimmt, ob der Druck in dem Anodensubsystem im Vergleich zu der Zeit, die notwendig ist, damit das Anodensubsystem etwa atmosphärischen Druck nach einer vorhergehenden Abschaltung erreicht, oder zu einem kalibrierten Zeitwert innerhalb einer kürzeren Zeitperiode nach Abschaltung mit atmosphärischem Druck ausgeglichen ist und die Stickstoffschätzung in der Anodenseite korrigiert, wenn der Druck innerhalb einer kürzeren Zeitperiode ausgeglichen 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 eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels;
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2 ist ein vereinfachtes Blockschaubild einer Brennstoffzelle;
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3 ist ein Schaubild mit der Zeit an der x-Achse und dem Anodendruck an der y-Achse, das zeigt, wie die Membrandicke die Anodendrucktrajektorie über die Zeit beeinflusst; und
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4 ist ein Flussdiagramm eines Algorithmus zur Bestimmung von Änderungen des Anodendrucks und zur Einstellung einer Modellschätzung von Stickstoff in der Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels.
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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 zur Verhinderung einer Anodenverarmung durch Detektion von Veränderungen der Membranpermeation der Membranen in einem Brennstoffzellenstapel gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Gebräuche zu beschränken.
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1 ist eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle 10, die Teil eines Brennstoffzellenstapels des nachfolgend diskutierten Typs ist. Die Brennstoffzelle 10 weist eine Kathodenseite 12 und eine Anodenseite 14 auf, die durch eine Perfluorsulfonsäuremembran 16 getrennt sind. Eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 20 ist an der Kathodenseite 12 vorgesehen, und eine kathodenseitige Katalysatorschicht 22 ist zwischen der Membran 16 und der Diffusionsmediumschicht 20 vorgesehen. Ähnlicherweise ist eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht 24 an der Anodenseite 14 vorgesehen, und eine anodenseitige Katalysatorschicht 26 ist zwischen der Membran 16 und der Diffusionsmediumschicht 24 vorgesehen. Die Katalysatorschichten 22 und 26 und die Membran 16 definieren eine MEA. Die Diffusionsmediumschichten 20 und 24 sind poröse Schichten, die für einen Eingangsgastransport zu und Wassertransport von der MEA sorgen. Eine kathodenseitige Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte 28 ist an der Kathodenseite 12 vorgesehen, und eine anodenseitige Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte 30 ist an der Anodenseite 14 vorgesehen.
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2 ist ein vereinfachtes Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems 40, das einen Brennstoffzellenstapel 42 aufweist. Das Brennstoffzellensystem 40 ist dazu bestimmt, jeglichen Typ von Brennstoffzellensystem allgemein zu repräsentieren, der ein Ablassen von Anodenabgas erfordert, um Stickstoff von der Anodenseite des Stapels 42 zu entfernen. Beispiele derartiger Brennstoffzellensysteme umfassen Brennstoffzellensysteme, die das Anodenabgas zurück an den Anodeneinlass rezirkulieren, und Brennstoffzellensysteme, die eine geteilte Stapelkonstruktion mit einem Anodenströmungswechsel verwenden, wobei beide hier als ein ”Anodensubsystem” bezeichnet sind. Wasserstoffgas von einer Wasserstoffquelle 44 wird an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 42 auf Leitung 48 geliefert. Ein Anodenabgas wird von dem Brennstoffzellenstapel 42 auf Leitung 50 ausgegeben und an ein Ablassventil 56 geliefert.
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Wie oben diskutiert ist, verdünnt ein Stickstoffübertritt von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 42 den Wasserstoff in der Anodenseite des Stapels 42, wodurch die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels beeinträchtigt wird. Daher ist es notwendig, das Anodenabgas periodisch von dem Anodensubsystem unter Verwendung des Ablassventils 56 abzulassen, um die Stickstoffmenge in dem Anodensubsystem, d. h. in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 4 reduzieren. Wenn das Ablassventil 56 offen ist, strömt das abgelassene Anodenabgas durch eine Ablassleitung 48. Ein Drucksensor 60 ist ebenfalls in der Leitung 50 vorgesehen, um den Druck des Anodensubsystems des Brennstoffzellensystems 40 zu messen.
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Luft von einem Kompressor 62 wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 42 auf Leitung 64 geliefert. Ein Kathodenabgas wird von dem Brennstoffzellenstapel 42 auf einer Kathodenabgasleitung 66 ausgegeben. Eine Mischvorrichtung 68 ist in der Leitung 66 zum Mischen des Kathodenabgases und des abgelassenen Anodenabgases an der Leitung 48 vorgesehen.
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Ein Controller 54 überwacht den Druck des Anodensubsystems des Brennstoffzellensystems 40, wie durch den Drucksensor 60 gemessen ist, steuert die Drehzahl des Kompressors bzw. Verdichters 62, steuert die Injektion von Wasserstoff von der Wasserstoffquelle 44 in die Anodenseite des Stapels 42 und steuert die Position des Anodenablassventils 56, wie nachfolgend detaillierter diskutiert ist. Der Controller 54 verwendet auch ein Modell, um den Permeationsstickstoffdurchfluss von der Kathodenseite zu der Anodenseite und die Konzentration von Stickstoff in der Anodenseite des Stapels 42 zu schätzen und zu bestimmen, wann Stickstoff von der Anodenseite des Stapels 42 abzulassen ist. Zusätzlich misst der Controller 54 die Zeitdauer, die erforderlich ist, damit das Anodensubsystem atmosphärischen Druck erreicht, nachdem das Brennstoffzellensystem 40 abgeschaltet worden ist. Der Controller 54 kann die Schätzung der Permeation von Stickstoff von der Kathode zu der Anode durch den Stapel 42 auf Grundlage der Zeit einstellen, die erforderlich ist, damit die Anodenseite atmosphärischen Druck erreicht, wie nachfolgend detaillierter diskutiert ist.
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Im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 40 dringt Stickstoff von der Kathodenseite des Stapels 42 durch die Membranen in den Brennstoffzellen zu der Anodenseite des Stapels 42 hindurch, was die Brennstoffkonzentration in der Anodenseite des Stapels 42 verdünnt. Somit muss zum Erreichen des stabilen Betriebs der Brennstoffzellen die Stickstoffkonzentration in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 42 geschätzt und gesteuert werden. Mit der Zeit ändert sich die Permeationsrate der Membran 16 aufgrund einer Ausdünnung und anderer physikalischer Änderungen der Membran 16, was eine Änderung der Permeationsrate von Stickstoff durch die Membran 16 zur Folge hat. Daher muss die Änderung der Permeationsrate von Stickstoff durch die Membran 16 periodisch bestimmt und hinsichtlich der Stickstoffkonzentrationsschätzung in der Anodenseite des Stapels 42 berücksichtigt werden, um eine Schätzung eines unkorrekten Niveaus an Anodenkonzentration zu vermeiden, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
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Um Änderungen der Permeationsrate der Membran 16 zu bestimmen, kann das Druckprofil der Anodenseite des Stapels 42 nach Abschalten des Brennstoffzellensystems 40 verwendet werden. Während einer normalen Abschaltung verarmt die Kathodenseite des Stapels 42 an Sauerstoff, was hohe Niveaus an Stickstoff und geringe Niveaus an Wasserstoff bei atmosphärischem Druck zur Folge hat. Die Kathodenseite befindet sich bei atmosphärischem Druck, da die Kathodenseite des Stapels 42 nicht abgedichtet ist, wie es dem Fachmann bekannt ist. Die Anodenseite des Stapels 42 ist jedoch abgedichtet und wird bei Systemabschaltung abgedichtet belassen, wodurch die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 42 ein druckbeaufschlagtes Gemisch einer bekannten Menge an Wasserstoff und Stickstoff aufweist. Wenn das Brennstoffzellensystem 40 in den Aus-Zustand eintritt oder abgeschaltet wird, diffundiert Wasserstoff in der Anodenseite des Stapels 42 schnell durch die Membran 16 in die Kathodenseite des Stapels 42, bis der Wasserstoffpartialdruck über die Membran 16 ausgeglichen ist. Dies bewirkt eine Druckverringerung in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 42, wie durch den Drucksensor 60 gemessen wird. Die Druckverringerung in der Anodenseite des Stapels 42 erzeugt typischerweise einen Unterdruck, da Wasserstoff schnell an die Kathodenseite des Stapels 42 hindurch dringt.
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Stickstoff besitzt eine geringere Permeationsrate als Wasserstoff durch die Membran 16 aufgrund der größeren Größe der Stickstoffmoleküle im Vergleich zu den Wasserstoffmolekülen. Somit dringt Stickstoff durch die Membran 16 mit einer geringeren Rate als der Wasserstoff, was eine Zunahme des Drucks in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 42 zur Folge hat, bis die Stickstoffpartialdrücke über die Membran 16 im Gleichgewicht stehen. Aufgrund der Differenz der Permeationsrate zwischen Wasserstoff und Stickstoff kann die resultierende Drucktrajektorie der Anodenseite des Stapels 42 nach jeder Abschaltung, wie durch den Drucksensor 60 gemessen ist, bezüglich Änderungen der Permeationsrate der Membranen der Brennstoffzellen in dem Stapel 42 korreliert werden.
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Je schneller der Wasserstoffdruck und der Stickstoffdruck in der Anodenseite des Stapels 42 im Gleichgewicht stehen, wie durch den Drucksensor 60 gemessen ist, desto höher ist die Permeationsrate der Membranen. 3 ist ein Schaubild mit der Abschaltzeit in Minuten an der x-Achse und dem Anodendruck in kPa an der y-Achse, das den Einfluss der Membrandicke auf den Anodendruck bei Abschaltung des Brennstoffzellensystems 40 veranschaulicht. Wie in 3 gezeigt ist, veranschaulicht die Linie 70 die Druckänderung über die Zeit einer Membran, die 6 μm dick ist, die Linie 72 veranschaulicht die Druckänderung über die Zeit einer Membran, die 12 μm dick ist, und Linie 74 veranschaulicht die Druckänderung über die Zeit einer Membran, die 18 μm dick ist. 3 zeigt, dass das Druckgleichgewicht über die Zeit nach Abschaltung, d. h. wie lange die Anodenseite des Stapels 42 zum Erreichen von atmosphärischem Druck benötigt, direkt in Verbindung mit der Dicke der Membran 16 steht, was angibt, dass eine Membranpermeation unter Verwendung der Anodendrucktrajektorie eines Brennstoffzellensystems 40 nach einer typischen Abschaltung des Systems 40 geschätzt werden kann. Die Korrelation zwischen der Dicke der Membran 16 und den Druckänderungen in dem Anodensubsystem können durch einen adaptiven Controller, wie den Controller 54, verwendet werden, um die Schätzung der Stickstoffkonzentration in der Anodenseite an Änderungen der Membranpermeation anzupassen, wodurch ermöglicht wird, dass die Anodenbrennstoffkonzentration über die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 42 genau geschätzt werden kann. Eine bessere Schätzung der Brennstoffkonzentration erlaubt einen verbesserten Wirkungsgrad, eine verbesserte Leistungsfähigkeit und eine verbesserte Haltbarkeit.
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4 ist ein Flussdiagramm 80 für einen Algorithmus zur Detektion von Änderungen der Permeationsrate der Membranen 16 in dem Stapel 42. Bei Kasten 82 wechselt das Brennstoffzellensystem 40 von dem Laufmodus in den Aus-Modus, d. h. wird abgeschaltet. Nachdem das Brennstoffzellensystem 40 in den Aus-Modus bei Kasten 82 gewechselt hat, zeichnet der Algorithmus bei Kasten 84 die Zeitdauer auf, die es benötigt, damit der Druck in dem Anodensubsystem mit atmosphärischem Druck oder dem Druck des Kathodensubsystems ausgeglichen ist. Anschließend bestimmt der Algorithmus bei Entscheidungsraute 86, ob die Zeitdauer, die notwendig ist, damit der Druck in dem Anodensubsystem im Gleichgewicht ist, sich seit der letzten Abschaltung geändert oder von einem kalibrierten Wert geändert hat. Wenn keine Änderung der Zeit stattgefunden hat, dann unternimmt der Algorithmus bei Kasten 88 keinerlei Maßnahmen. Das Brennstoffzellensystem 40 arbeitet bei Kasten 90 ohne eine Permeationskorrektur und kehrt zu dem Kasten 82 zurück, wenn das Brennstoffzellensystem 40 von dem Laufmodus zu dem Aus-Modus wechselt.
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Wenn eine Änderung der Zeitdauer, die notwendig ist, damit der Druck in dem Anodensubsystem mit atmosphärischem Druck ausgeglichen ist, an der Entscheidungsraute 86 detektiert wird, dann modifiziert der Algorithmus bei Kasten 92 die Schätzung der Anodenbrennstoffkonzentration und/oder modifiziert den Stickstoffablassplan im Verhältnis zu der Änderung der Permeationsrate der Membran 16, wie durch die Zeitänderung bestimmt ist, und das Brennstoffzellensystem 40 läuft bei Kasten 94 mit der neuen Permeationskorrektur für die Brennstoffschätzung und/oder den Stickstoffablassplan. Beispielsweise kann die Häufigkeit zur Ausführung von Kathodenabgasvorgängen zur Entfernung von Stickstoff von der Anodenseite unter Verwendung des Ablassventils 56 erhöht, werden, die Dauer der Anodenablassvorgänge unter Verwendung des Ablassventils 56 kann erhöht werden und/oder die Strömung von Anodenbrennstoff zu dem Stapel kann erhöht werden. Nach Durchführung der geeigneten Modifikation bei dem Kasten 92 und Betrieb mit der neuen Modifikation bei Kasten 94 kehrt der Algorithmus zu dem Kasten 82 zurück, wenn das Brennstoffzellensystem 40 von dem Laufmodus in den Aus-Modus wechselt.
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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, Modifikationen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.
