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TECHNISCHES GEBIET
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Verschiedene Ausführungsformen betreffen ein System und ein Verfahren zum Steuern eines Luftstroms in einem Brennstoffzellensystem.
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HINTERGRUND
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Es ist bekannt, dass eine Anzahl von Brennstoffzellen miteinander verbunden wird, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Ein solcher Stapel stellt im Allgemeinen elektrischen Strom ansprechend auf das elektrochemische Umwandeln von Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser bereit. Der bei einem solchen Prozess erzeugte elektrische Strom wird verwendet, um verschiedene Vorrichtungen in einem Fahrzeug oder einem anderen derartigen Gerät anzutreiben. Eine Versorgung stellt im Allgemeinen dem Brennstoffzellenstapel Wasserstoff bereit. Der Brennstoffzellenstapel empfängt auch eine Wasserstoffzufuhr, die in Form eines Luftstroms erfolgen kann. Die Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff, einschließlich Massenflussraten und Drücken, kann während des Brennstoffzellenbetriebs gesteuert werden.
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KURZFASSUNG
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Gemäß einer Ausführungsform ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel und einem Kompressor, der dem Brennstoffzellenstapel einen Luftstrom bereitstellt, vorgesehen. Ein erster Drucksensor ist dafür eingerichtet, einen ersten Luftdruck an einem ersten Ort im System zu messen. Ein zweiter Drucksensor ist dafür eingerichtet, einen zweiten Luftdruck des Luftstroms an einem zweiten Ort im System zu messen. Eine Steuereinrichtung ist dafür ausgelegt, Folgendes auszuführen: (i) Ableiten eines Luftmassenflusses des Luftstroms unter Verwendung der Geschwindigkeit des Kompressors und des Druckverhältnisses über den Kompressor, wobei das Druckverhältnis anhand des ersten Luftdrucks und des zweiten Luftdrucks bestimmt wird, und (ii) Steuern des Betriebs des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung des Luftmassenflusses durch den Kompressor.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel zum Erzeugen von Leistung, einem Kompressor, der dem Stapel einen Luftstrom bereitstellt, und einer Steuereinrichtung versehen. Die Steuereinrichtung ist dafür ausgelegt, ansprechend auf das Bestimmen des Luftmassenflusses durch den Kompressor anhand einer Nachschlagetabelle unter Verwendung der Geschwindigkeit des Kompressors und des Druckverhältnisses über den Kompressor, das Brennstoffzellensystem auf der Grundlage des Luftmassenflusses zu betreiben.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems vorgesehen. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: Empfangen eines ersten und eines zweiten Signals an einer Steuereinrichtung, welche den Luftdruck vor bzw. hinter einem Kompressor angeben, und Empfangen eines dritten Signals an der Steuereinrichtung, das die Geschwindigkeit des Kompressors angibt. Das Brennstoffzellensystem wird bei einem gewünschten Luftmassenfluss auf der Grundlage eines unter Verwendung des ersten, des zweiten und des dritten Signals bestimmten abgeleiteten Luftmassenflusses betrieben.
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Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung weisen zugeordnete nicht einschränkende Vorteile auf. Beispielsweise verwendet der Betrieb eines Brennstoffzellensystems einen Steueralgorithmus. Das Steuerverfahren kann Rückkopplungssensoren verwenden. Der Brennstoffzellenstapel verwendet Luft und Wasserstoff bei einem gewünschten Druck, gewünschten Fluss und einer gewünschten Feuchtigkeit, um elektrischen Strom zu erzeugen. Das Steuerverfahren und die Steuereinrichtung steuern einen Kompressor in der Art eines elektronischen Superchargers, um den gewünschten Luftdruck und -fluss zu liefern. Ein herkömmliches System verwendet einen Luftmassenflusssensor und einen oder mehrere Luftdrucksensoren. Jeder Sensor, der im Brennstoffzellensystem verwendet wird, erhöht die Kosten und die Komplexität des Brennstoffzellensystems. Die vorliegende Offenbarung sieht ein Brennstoffzellensystem ohne einen Luftmassenflusssensor vor, wobei die Steuereinrichtung den Luftmassenfluss auf der Grundlage der Geschwindigkeit des Kompressors und des Druckabfalls über den Kompressor ableitet. Die Steuereinrichtung kann auch eine Steuerventilposition beim Ableiten des Luftmassenflusses verwenden, wobei die Ventilposition den Staudruck im System festlegt. Andere Druckabfälle im System können von der Steuereinrichtung berücksichtigt werden, einschließlich des Lufteinlass- oder Ansaugsystems, des Luftbefeuchtungssystems usw. Die Steuereinrichtung verwendet ein Verfahren, welches den Betrieb des Brennstoffzellensystems auf der Grundlage des abgeleiteten Luftmassenflusses, der eine Funktion des Druckverhältnisses über den Kompressor, der Kompressorgeschwindigkeit und/oder der Ventilposition ist, auf einen gewünschten Luftmassenfluss und Luftdruck steuert. Die Steuereinrichtung kann eine Rückkopplungsschleife oder eine Nachschlagetabelle verwenden, um den abgeleiteten Luftmassenfluss zu bestimmen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform,
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2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen des Luftmassenflusses für ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform,
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3 eine schematische Ansicht einer Nachschlagetabelle zum Bestimmen des Luftmassenflusses gemäß einer Ausführungsform und
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4 einen Graphen, der einen gemessenen und einen abgeleiteten Luftmassenfluss für ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hier wie gefordert dargelegt, es ist jedoch zu verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich als Beispiele der Erfindung dienen, welche in verschiedenen und alternativen Formen verwirklicht werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, und einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische strukturelle und funktionelle Einzelheiten, die hier offenbart werden, nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage, um Fachleuten zu lehren, die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weisen anzuwenden. Die Beschreibung von Bestandteilen in chemischen Termen bezieht sich auf die Bestandteile zur Zeit der Hinzufügung einer in der Beschreibung spezifizierten Kombination und schließt nicht notwendigerweise chemische Wechselwirkungen zwischen Bestandteilen der Mischung aus, sobald sie gemischt wurden.
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Es wird erkannt, dass eine hier offenbarte Schaltung oder andere elektrische Vorrichtung eine beliebige Anzahl von Mikroprozessoren, integrierten Schaltungen, Speichervorrichtungen (beispielsweise FLASH, Direktzugriffsspeicher (RAM), Nurlesespeicher (ROM), elektrisch programmierbarer Nurlesespeicher (EPROM), elektrisch löschbarer programmierbarer Nurlesespeicher (EEPROM) oder andere geeignete Varianten davon) und Software aufweisen kann, die miteinander zusammenarbeiten, um eine hier offenbarte Operation (hier offenbarte Operationen) auszuführen. Zusätzlich können eine oder mehrere der hier offenbarten elektrischen Vorrichtungen konfiguriert werden, um ein Computerprogram auszuführen, das in einem nicht flüchtigen computerlesbaren Medium verwirklicht ist, das programmiert ist, eine Anzahl der hier offenbarten Funktionen auszuführen.
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1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem ("das System") 10 als ein Prozessablaufdiagramm gemäß wenigstens einer Ausführungsform. Beispielsweise kann das System 10 in einem Fahrzeug verwendet werden, um elektrische Leistung für das Betreiben eines Elektromotors zum Antreiben des Fahrzeugs oder zum Ausführen anderer Fahrzeugfunktionen bereitzustellen. Das System 10 kann in einem Brennstoffzellen-basierten Elektrofahrzeug oder einem Brennstoffzellen-basierten Hybridfahrzeug oder einer anderen derartigen Vorrichtung, die elektrischen Strom verwendet, um verschiedene Vorrichtungen anzutreiben, implementiert werden.
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Das System 10 weist einen Brennstoffzellenstapel ("den Stapel") 12 auf. Der Stapel 12 weist mehrere Zellen auf, wobei jede Zelle 13 eine Anodenseite 14, eine Kathodenseite 16 und eine dazwischen liegende Membran 18 aufweist. Nur eine Brennstoffzelle 13 des Brennstoffzellenstapels 12 ist in 1 dargestellt, wenngleich der Stapel 12 eine beliebige Anzahl von Zellen enthält. Der Stapel 12 kommuniziert elektrisch beispielsweise mit einem Hochspannungsbus 20 oder einer Antriebsbatterie und stellt diesem bzw. dieser Energie bereit. Der Stapel 12 erzeugt ansprechend auf das elektrochemische Umwandeln von Wasserstoff und Sauerstoff Stapelstrom. Der Stapel 12 kann auch eine Kühlschleife (nicht dargestellt) aufweisen.
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Verschiedene elektrische Vorrichtungen können mit der Batterie 20 gekoppelt werden, um diese Leistung für den Betrieb zu verbrauchen. Falls das System 10 in Zusammenhang mit einem Fahrzeug verwendet wird, können die Vorrichtungen einen Motor oder mehrere fahrzeugelektrische Komponenten aufweisen, die jeweils Leistung verbrauchen, um für einen bestimmten Zweck zu funktionieren. Beispielsweise können solche Vorrichtungen ohne Einschränkung auf diese in Zusammenhang mit einem Fahrzeugantriebsstrang, einer Fahrgastraumheizung und -kühlung, einer Innen-/Außenbeleuchtung, Unterhaltungsvorrichtungen und elektrisch angetriebenen Fenstern stehen. Die jeweiligen Typen im Fahrzeug implementierter Vorrichtungen können vom Fahrzeuginhalt, vom verwendeten Motortyp und vom jeweiligen Typ des implementierten Brennstoffzellenstapels abhängen.
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Während des Betriebs des Systems 10 wird der Wasserstoff- und Sauerstofffluss gesteuert, um die gewünschte chemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff und die elektrische Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 12 zu steuern. Der Fluss von Wasserstoff und Sauerstoff kann abhängig von der gewünschten elektrischen Ausgangsleistung des Stapels 12, der Umgebungstemperatur, der Höhe und anderen Faktoren geändert werden. Der Sauerstofffluss kann von der Umgebungsluft bereitgestellt werden, die eine Mischung ist, welche in erster Linie Sauerstoff und Stickstoff sowie andere Gase aufweist.
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Die Reaktion des Wasserstoffs und des Sauerstoffs erzeugt Produktwasser, restlichen Brennstoff wie Wasserstoff und Nebenprodukte wie Stickstoff, die sich auf der Anodenseite 14 des Stapels 12 ansammeln können. Diese Bestandteile können in einer Abfuhranordnung 36 hinter dem Stapel 12 gesammelt werden, zumindest ein Teil des flüssigen Wassers und/oder des Stickstoffs kann abgetrennt werden, und die restlichen Bestandteile können über einen Rückkehrweg in einer Rückführungsschleife zum Stapel 12 zurückgeführt werden.
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Eine primäre Brennstoffquelle 22 ist mit der Anodenseite 14 des Stapels 12 verbunden, wie eine primäre Wasserstoffquelle, um einen Brennstoffzufuhrstrom (oder einen Anodenstrom) bereitzustellen. Nicht einschränkende Beispiele der primären Wasserstoffquelle 22 sind ein Hochdruckwasserstoffspeichertank oder eine Hybridspeichervorrichtung. Beispielsweise kann an Stelle komprimierten Gases flüssiger Wasserstoff, in verschiedenen Chemikalien, wie Natriumborohydrid oder Alanaten, gespeicherter Wasserstoff oder in Metallhydriden gespeicherter Wasserstoff verwendet werden. Ein Tankventil 23 steuert den Fluss des zugeführten Wasserstoffs. Ein Druckregler 25 regelt den Fluss des zugeführten Wasserstoffs.
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Die Wasserstoffquelle 22 ist mit einem oder mehreren Ausstoßern 24 oder anderen Wasserstoffflusssteuervorrichtungen verbunden. Der Ausstoßer 24 kann ein veränderlicher oder mehrstufiger Ausstoßer oder ein anderer geeigneter Ausstoßer sein. Der Ausstoßer 24 ist dafür ausgelegt, den zugeführten Wasserstoff (beispielsweise von der Quelle 22 empfangenen Wasserstoff) mit nicht verwendetem Wasserstoff (beispielsweise vom Brennstoffzellenstapel 12 zurückgeführt) zu kombinieren, um einen Eingangsbrennstoffstrom zu erzeugen. Der Ausstoßer 24 steuert den Fluss des Eingangsbrennstoffstroms in den Stapel 12. Der Ausstoßer 24 weist eine Düse 26 auf, die Wasserstoff in den konvergierenden Abschnitt einer konvergierenden-divergierenden Düse 28 einführt. Der divergierende Abschnitt der Düse 28 ist mit dem Eingang 30 der Anodenseite 14 verbunden.
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Der Ausgang 32 der Anodenseite 14 ist mit einer Rückführungsschleife 34 verbunden. Die Rückführungsschleife 34 kann eine passive Rückführungsschleife sein, wie dargestellt, oder sie kann gemäß einer anderen Ausführungsform eine aktive Rückführungsschleife sein. Typischerweise wird der Anodenseite 14 ein Überschuss von Wasserstoffgas bereitgestellt, um zu gewährleisten, dass ausreichend Wasserstoff für alle Zellen im Stapel 12 vorhanden ist. Mit anderen Worten wird unter Normalbetriebsbedingungen Wasserstoff dem Brennstoffzellenstapel 12 oberhalb eines stöchiometrischen Verhältnisses von eins, d.h. bei einem brennstoffreichen Verhältnis in Bezug auf exakte elektrochemische Anforderungen, bereitgestellt. Der Strom nicht verbrauchten Brennstoffs oder der Strom rückgeführten Brennstoffs am Anodenausgang 32 kann verschiedene Verunreinigungen wie Stickstoff und Wasser sowohl in flüssiger Form als auch in Dampfform zusätzlich zum Wasserstoff aufweisen. Die Rückführungsschleife 34 ist so bereitgestellt, dass überschüssiger Wasserstoff, der von der Anodenseite 14 nicht verwendet wurde, zum Eingang 30 zurückgeführt wird, so dass er verwendet werden kann und nicht verschwendet wird.
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Angesammeltes Wasser in der flüssigen und der Dampfphase ist eine Ausgabe der Anodenseite 14. Die Anodenseite 14 erfordert eine Befeuchtung für eine wirksame chemische Umwandlung und um die Membranlebensdauer zu verlängern. Die Rückführungsschleife 34 kann verwendet werden, um Wasser zum Befeuchten des zugeführten Wasserstoffgases vor dem Eingang 30 der Anodenseite 14 bereitzustellen. Alternativ kann ein Befeuchter bereitgestellt werden, um dem Strom eingegebenen Brennstoffs Wasserdampf hinzuzufügen.
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Die Rückführungsschleife 34 kann eine Abfuhranordnung 36 zum Entfernen von Verunreinigungen oder Nebenprodukten in der Art überschüssigen Stickstoffs, flüssigen Wassers und/oder Wasserdampfs aus dem Rückführungsstrom enthalten. Gemäß einem Beispiel weist die Abfuhranordnung 36 einen Wassertrenner 38, eine Ablassleitung 40 und ein Steuerventil 42 in der Art eines Abfuhrventils auf. Der Trenner 38 empfängt einen Strom oder eine Fluidmischung von Wasserstoffgas, Stickstoffgas und Wasser vom Ausgang 32 der Anodenseite 14. Das Wasser kann eine Mischphase sein und sowohl Wasser in der flüssigen Phase als auch Wasser in der Dampfphase enthalten. Der Trenner 38 entfernt zumindest einen Teil des Wassers in der flüssigen Phase, welcher durch die Ablassleitung 40 aus dem Trenner austritt. Zumindest ein Teil des Stickstoffgases, Wasserstoffgases und des Wassers in der Dampfphase kann auch aus der Ablassleitung 40 austreten und durch ein Steuerventil 42 laufen, beispielsweise während eines Abfuhrprozesses des Brennstoffzellenstapels 12. Das Steuerventil 42 kann ein Solenoidventil oder ein anderes geeignetes Ventil sein. Der Rest des Fluids im Trenner 38 tritt durch einen Durchgang 44 in der Rückführungsschleife 34, der mit dem Ausstoßer 24 verbunden ist, aus. Der Strom im Durchgang 44 kann verglichen mit dem Strom in der Ablassleitung 40 eine erhebliche Wasserstoffmenge enthalten. Das Fluid im Durchgang 44 wird in den konvergierenden Abschnitt der konvergierenden-divergierenden Düse 28 eingebracht, wo es mit ankommendem Wasserstoff von der Düse 26 und der Wasserstoffquelle 22 gemischt wird.
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Die Kathodenseite 16 des Stapels 12 empfängt Sauerstoff in einem Kathodenstrom, beispielsweise als ein Bestandteil in einer Luftquelle 46 in der Art von Atmosphärenluft oder Umgebungsluft in der Umgebung des Brennstoffzellensystems 10. Gemäß einer Ausführungsform strömt Luft bei 46 in ein Lufteinlasssystem 47, um den Sauerstoff enthaltenden Luftstrom dem Stapel 12 bereitzustellen. Das Lufteinlasssystem 47 kann einen Ansaugkrümmer und/oder einen Luftfilter aufweisen.
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Der Luftstrom strömt vom Einlasssystem 47 zu einem Kompressor 48. Der Kompressor 48 wird durch einen Motor 50 angetrieben, um die ankommende Luft unter Druck zu setzen. Der Kompressor 48 kann ein Gebläse, ein Gaskompressor, eine Luftpumpe, ein elektrischer Supercharger oder eine andere Vorrichtung sein, die geeignet ist, um einen Luftstrom anzutreiben. Der Kompressor 48 kann den Luftstrom unter Druck setzen und/oder seine Dichte erhöhen. Der Kompressor 48 stellt dem Stapel 12 einen Luftmassenfluss (MAF) bereit. Die unter Druck gesetzte Luft oder der Kathodenstrom kann durch einen Befeuchter 52 befeuchtet werden, bevor sie an einem Einlass 54 in die Kathodenseite 16 eintritt. Das dem Kathodenstrom durch den Befeuchter 52 zugeführte Wasser kann erforderlich sein, um zu gewährleisten, dass Membranen 18 für jede Zelle 13 befeuchtet bleiben, um für einen optimalen Betrieb des Stapels 12 zu sorgen.
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Der Ausgang 56 der Kathodenseite 16 ist dafür ausgelegt, überschüssige Luft auszustoßen. Der Ausgang 56 kann mit einem Wasserrückgewinnungssystem 57 verbunden sein. Der Ausgang 56 kann auch mit einem Ventil 58 verbunden sein. Das Ventil 58 kann ein Steuerventil sein, wobei der Fluss über das Ventil auf der Grundlage der Position des Ventils gesteuert wird, wobei, wenn das Ventil schließt, der Staudruck oder der Druck vor dem Ventil zunimmt. Das Ventil 58 kann elektronisch, mechanisch oder auf andere Weise gesteuert werden, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist. Bei anderen Beispielen kann das Ventil 58 ein automatisches Flusssteuerventil in der Art eines federbelasteten Rückschlagventils oder dergleichen sein, wobei der Druck des Kathodenstroms die Position des Ventils und den Fluss durch das Ventil automatisch steuert.
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Das Wasserrückgewinnungssystem 57 kann vor (wie dargestellt) oder hinter dem Ventil 58 liegen. Das Wasserrückgewinnungssystem 57 kann eine Einrichtung mit einer Ablassleitung 60 sein, die mit der Abfuhranordnung 36 verbunden ist. Bei anderen Beispielen kann das Wasserrückgewinnungssystem 57 ein autonomes System ähnlich der Abfuhranordnung 36 sein. Gemäß anderen Ausführungsformen können die Ablassleitungen an anderen Stellen in das System 10 eingeschaltet sein. Der Luftstrom vom Stapel kann mit einem Auslass 62 hinter dem Ventil 58 verbunden sein.
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Der Stapel 12 kann unter Verwendung einer Kühlmittelschleife 64 gekühlt werden, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist. Die Kühlmittelschleife 64 weist einen Einlass 66 und einen Auslass 68 zum Stapel 12 auf, um den Stapel zu kühlen. Die Kühlmittelschleife 64 kann einen Temperatursensor 70 zum Bestimmen der Kühlmitteltemperatur aufweisen.
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Der Stapel 12 kann auch einen Drucksensor 72 aufweisen, der am Einlass 54 der Kathodenseite 16 des Stapels 12 angeordnet ist. Der Sensor 72 kann auch ein Temperaturmessmodul aufweisen. Ein Drucksensor 74 ist angeordnet, um den Umwelt- oder Umgebungsluftdruck zu messen. Der Sensor 74 kann auch ein Temperaturmessmodul aufweisen.
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Eine Steuereinrichtung 76 empfängt Signale von den Sensoren 70, 72 und anderen Sensoren, die dem Brennstoffzellensystem 10 zugeordnet sein können. Die Steuereinrichtung 76 kann eine einzelne Steuereinrichtung sein oder aus mehreren miteinander in Kommunikation stehenden Steuereinrichtungen bestehen. Die Steuereinrichtung 76 steht auch in Kommunikation mit dem Ventil 23, dem Ventil 58, dem Regler 25 und dem Motor 50. Die Steuereinrichtung 76 empfängt ein Signal vom Motor, das mit der Motor- und Kompressorgeschwindigkeit korreliert. Die Steuereinrichtung 76 empfängt Signale von Drucksensoren 70, 72, welche Informationen in Bezug auf den Druck an ihren jeweiligen Orten bereitstellen. Die Steuereinrichtung 76 empfängt ein Signal vom Ventil 58, welches Informationen in Bezug auf die Position des Ventils 58 bereitstellt. Falls das Ventil 58 ein elektronisches Steuerventil ist, steuert die Steuereinrichtung 76 auch die Ventilposition.
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Das System 10 kann ohne einen Luftmassenflusssensor ausgelegt sein (wie in 1 dargestellt), wodurch die Systemkosten und das Gewicht verringert werden können und der Betrieb und die Steuerung des Systems 10 modifiziert werden können. Wenn ein Luftmassenflusssensor aus dem System 10 fortgelassen wird, muss der Massenfluss des dem Stapel 12 vom Kompressor 48 bereitgestellten Luftstroms vorhergesagt werden, um das System 10 zu steuern. Der vom Kompressor bereitgestellte Luftmassenfluss kann von den Kompressorbetriebsbedingungen, verschiedenen Drücken im System 10, vom Zustand des Ventils 58 usw. abhängen.
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Während des Betriebs kann ein abgeleiteter Luftmassenfluss gesteuert werden, um die Stöchiometrie oder das Brennstoff-Luft-Verhältnis des Brennstoffzellensystems zu steuern. Der Betriebszustand der Brennstoffzelle, Umweltbedingungen und dergleichen können auch mit dem Luftmassenfluss verwendet werden, um das System 10 zu steuern. Der Luftmassenfluss kann unter Verwendung des Kompressors 48 und des Motors 50 und des Ventils 58 auf der Kathodenseite 16 gesteuert werden, um die Flussrate der Luft oder den Luftmassenfluss zum Stapel 12 zu steuern. Der Brennstofffluss kann unter Verwendung des Ventils 23 und des Reglers 25 auf der Anodenseite 14 gesteuert werden, um die Flussrate des Brennstoffs oder Wasserstoffs für den Stapel 12 zu steuern. Das System 10 kann über einen Bereich von Brennstoff-Luft-Verhältnissen, einschließlich brennstoffreich, brennstoffmager, und bei einem stöchiometrischen Verhältnis von eins betrieben werden. Der Luftmassenfluss im Luftstrom, der dem Kompressor 48 bereitgestellt wird, kann gesteuert werden, um das Brennstoff-Luft-Verhältnis des Systems 10 einzustellen, wobei die Erhöhung des Luftmassenflusses bei einem konstanten Wasserstofffluss überschüssige Luft oder ein magereres Brennstoff-Luft-Verhältnis bereitstellt.
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2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 150 zur Verwendung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Gemäß anderen Ausführungsformen können verschiedene Schritte im Verfahren 150 kombiniert, umgeordnet oder fortgelassen werden. Gemäß einer Ausführungsform wird das Verfahren 150 von der Steuereinrichtung 76 des Systems 10 verwendet, wie in 1 dargestellt ist.
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Das Verfahren 150 beginnt in Schritt 152. In Schritt 154 empfängt eine Steuereinrichtung Signale von verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellensystems. In Schritt 154 wird ein erstes Signal empfangen, das einen Luftstromdruck vor einem Kompressor angibt. Das erste Signal kann ein Umgebungsluftdruck oder ein anderer stromaufwärts gelegener Luftdruck sein. Ein zweites Signal, das einen Luftstromdruck hinter dem Kompressor angibt, wird auch empfangen. Das zweite Signal kann ein Luftdruck am Einlass des Brennstoffzellenstapels sein. Ein drittes Signal, das die Kompressorgeschwindigkeit angibt, wird auch empfangen. Das dritte Signal kann die Kompressorgeschwindigkeit oder die Drehgeschwindigkeit der Abtriebswelle des den Kompressor antreibenden Elektromotors sein.
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Mit Bezug auf 1 sei bemerkt, dass bei einem Beispiel das erste Signal der Steuereinrichtung 76 durch den Drucksensor 74 bereitgestellt wird, das zweite Signal durch den Sensor 72 bereitgestellt wird und das dritte Signal durch einen Geschwindigkeitssensor bereitgestellt wird, der dem Kompressor 48, dem Motor 50 oder einer Motorsteuereinrichtung zugeordnet ist.
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Bei einigen Beispielen wird auch ein viertes Signal durch die Steuereinrichtung empfangen, welches die Position eines Steuerventils hinter dem Brennstoffzellenstapel angibt, welches dafür eingerichtet ist, den Fluss des Luftstroms zu steuern. Mit Bezug auf 1 sei bemerkt, dass das vierte Signal durch einen Ventilpositionssensor in Zusammenhang mit dem Ventil 58 oder einer Ventilsteuereinrichtung oder einem Ventilbetätigungselement bereitgestellt wird.
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In Schritt 156 berechnet oder bestimmt das Verfahren 150 das Druckverhältnis über den Kompressor. Die Drücke unmittelbar vor und hinter dem Kompressor oder am Kompressoreinlass und -auslass können anhand der Drücke bestimmt werden müssen, die durch das erste und das zweite Signal bereitgestellt werden. d.h. anhand des Umgebungsdrucks und des Luftdrucks am Stapeleinlass. Druckabfälle, die durch Komponenten und Fluidverbindungen im System hervorgerufen werden, können in die Berechnung des Druckverhältnisses aufgenommen werden. Beispielsweise wird mit Bezug auf 1 der Einlassdruck des Kompressors 48 anhand des Umgebungsdrucks und des Druckabfalls über das Einlasssystem 47 bestimmt. Der Kompressorauslassdruck wird anhand des Einlassdrucks bei 54 und des Druckabfalls über das Befeuchtungssystem 52 bestimmt. Die Druckabfälle im Einlass- und im Befeuchtungssystem 47, 52 können jeweils eine Funktion des Luftmassenflusses sein. Das Brennstoffzellensystem 10 kann bei verschiedenen Flussraten und Drücken charakterisiert werden, um einen zugeordneten Druckabfall als Funktion der Flussrate für jede Komponente zu bestimmen. Alternativ kann das Verfahren 150 den Umgebungs- und den Einlassdruck direkt anhand einer Nachschlage- oder Kalibriertabelle verwenden, wobei die Druckabfälle durch die verschiedenen in der Tabelle selbst enthaltenen Systemkomponenten bereitgestellt werden.
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In Schritt 158 verwendet das Verfahren 150 das Druckverhältnis über den Kompressor und die Geschwindigkeit des Kompressors zum Bestimmen des Luftmassenflusses durch den Kompressor. Bei einem Beispiel verwendet das Verfahren 150 eine Nachschlagetabelle, die das Druckverhältnis und die Kompressorgeschwindigkeit mit dem Luftmassenfluss korreliert. Die Tabelle kann eine dreidimensionale Tabelle sein, wie in 2 dargestellt, oder sie kann weniger oder mehr Dimensionen aufweisen. Bei einem anderen Beispiel kann das Verfahren 150 den Umgebungsdruck, den Stapeleinlassluftdruck und die Kompressorgeschwindigkeit mit einer Nachschlagetabelle verwenden, welche die Drücke, die Kompressorgeschwindigkeit und die Druckabfälle über Systemkomponenten mit dem Luftmassenfluss durch den Kompressor korreliert. Bei anderen Beispielen kann das Verfahren 150 eine Rückkopplungsregelschleife verwenden, um den Luftmassenfluss anhand des Druckverhältnisses und der Kompressorgeschwindigkeit zu bestimmen.
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Das Verfahren 150 kann auch die Ventilposition bei 158 zum Bestimmen des Luftmassenflusses entweder unter Verwendung einer Nachschlagetabelle oder einer Rückkopplungsregelschleife verwenden. Die Ventilposition beeinflusst den Druck vor dem Ventil, und der durch das Ventil bereitgestellte Staudruck nimmt zu, wenn das Ventil aus einer offenen Position in eine geschlossene Position bewegt wird. Wenn der durch das Ventil bereitgestellte Staudruck zunimmt, wird auch der Stapeleinlassdruck beeinflusst und nimmt zu.
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In Schritt 160 gibt das Verfahren 150 den Luftmassenfluss zu einem Steuersystem in der Art der Steuereinrichtung 76 zur Verwendung beim Steuern und Betreiben des Brennstoffzellensystems zurück. Auf der Grundlage des gewünschten elektrischen Stroms und von Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems kann die Steuereinrichtung den Luftmassenfluss erhöhen, verringern oder aufrechterhalten. In Schritt 162 endet das Verfahren 150 oder kehrt alternativ zu Schritt 152 zurück.
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3 zeigt eine Nachschlagetabelle 200 zur Verwendung mit dem Verfahren 150 gemäß einer Ausführungsform. Das Druckverhältnis 202 ist auf der vertikalen Achse dargestellt. Der Luftmassenfluss (MAF) 204 ist auf der horizontalen Achse dargestellt. Linien 206, 208 zeigen das Betriebsfenster des Kompressors. Es sei bemerkt, dass das Druckverhältnis wenigstens eins ist, wie auf der Achse 202 dargestellt ist, wenn der Kompressor eine Druckerhöhung im Luftstrom bereitstellt und der Druck am Kompressorauslass größer ist als der Druck am Kompressoreinlass.
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Jede Linie 210 zeigt eine konstante Kompressordrehgeschwindigkeit. Gemäß einigen Ausführungsformen steht jede Linie 210 direkt in Beziehung zur Abtriebswellengeschwindigkeit des den Kompressor antreibenden Elektromotors oder ist eine Funktion davon. Die Kompressorgeschwindigkeit nimmt in Richtung eines Pfeils 212 zu, so dass die Geschwindigkeit der Kompressorgeschwindigkeitslinie 216 größer ist als die Geschwindigkeit der Kompressorgeschwindigkeitslinie 214.
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Wenn das Verfahren 150 die Nachschlagetabelle 200 verwendet, wird auf die konstante Kompressorgeschwindigkeitslinie in der Tabelle Bezug genommen, beispielsweise die Linie 214. Das Druckverhältnis (PR1) wird dann verwendet, um den Ort oder die Position auf der Linie 214 zu bestimmen, um einen Wert für den MAF bereitzustellen. Das Druckverhältnis 202 kann das Druckverhältnis über den Kompressor sein, wobei jegliche Druckabfälle zwischen den Drucksensoren und dem Kompressoreinlass und -auslass betrachtet werden. Alternativ kann das Druckverhältnis 202 das direkt von den Drucksensoren genommene Druckverhältnis sein und weist die Tabelle einen Faktor oder eine Skalierung auf, um Druckabfälle als Funktion der Flussrate in der Tabelle 200 aufzunehmen.
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Wie aus 3 ersichtlich ist, schneidet PR1 die Linie 214 entlang einem Abschnitt mit einer geringen Steigung oder einem verhältnismäßig flachen Abschnitt der Linie 214. Dabei können PR1 und die Linie 214 einen Bereich möglicher Luftmassenflüsse bereitstellen. Die Tabelle 200 kann eine zusätzliche Variable aufweisen, um den Luftmassenfluss in diesem Szenario besser ableiten zu können. Linien 218 stellen Linien einer konstanten Ventilposition für ein Steuerventil im Luftstrom dar. Das Steuerventil kann gemäß einem Beispiel das Ventil 58 sein. Die Ventilposition wird in Richtung eines Pfeils 220 offener, so dass die Ventilposition an einer Linie 224 offener ist (oder eine kleinere Flussbeschränkung oder einen geringeren Staudruck bereitstellt) als die Ventilposition an einer Linie 222.
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Unter Verwendung der Ventilposition kann das Verfahren 150 in der Lage sein, einen genaueren Wert für den Luftmassenfluss bereitzustellen. Beispielsweise wird MAF1 durch die Tabelle mit PR1, der Kompressorgeschwindigkeitslinie 214 und der Ventilpositionslinie 226 bereitgestellt.
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Bei einem anderen Beispiel, bei dem die Tabelle 200 verwendet wird, gibt es ein höheres Druckverhältnis PR2 über den Kompressor, eine höhere Kompressorgeschwindigkeit an einer Linie 228 und eine offenere Ventilposition an einer Linie 230, wodurch MAF2 bereitgestellt wird, der größer als MAF1 ist.
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Die Tabelle 200 kann ohne die Ventilpositionslinien 218 verwendet werden. Bei diesem Szenario kann das Verfahren 150 eine Rückkopplungsregelschleife verwenden, um den MAF entlang einer konstanten Kompressorgeschwindigkeitslinie in einem Gebiet geringer Steigung zu bestimmen.
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Die Tabelle 200 kann wie dargestellt eine zweidimensionale Tabelle sein und auch eine dreidimensionale Tabelle sein, wie in 2 schematisch dargestellt ist, oder die Daten können alternativ anders in der Tabelle angeordnet sein, um ein ähnliches Ergebnis bereitzustellen.
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4 zeigt vorläufige Testdaten verglichen mit einem unter Verwendung des Verfahrens 150 gemäß einer Ausführungsform bestimmten abgeleiteten Luftmassenflusswert. Der Luftmassenfluss 250 ist gegen die Zeit 252 aufgetragen und weist einen Brennstoffzellensystemhochfahrbetrieb (transienten Betrieb) und einen normalen gleichmäßigen Betrieb (Gleichgewichtszustandsbetrieb) auf. Eine Linie 254 repräsentiert den für das System unter Verwendung eines Luftmassenflusssensors gemessenen Luftmassenfluss. Eine Linie 256 repräsentiert den durch das System abgeleiteten Luftmassenfluss, wie unter Verwendung des Verfahrens 150 und der Tabelle 200 bestimmt. Für das dargestellte Beispiel verwendet das Verfahren 150 die Tabelle 200 ohne die Ventilpositionsinformationen, d.h. nur die Kompressorgeschwindigkeit und das Druckverhältnis werden bei der Bestimmung des in Linie 256 dargestellten Luftmassenflusses verwendet. Wie in 4 ersichtlich ist, stimmt der abgeleitete Luftmassenfluss mit dem gemessenen Luftmassenfluss überein, sobald das Brennstoffzellensystem einen Gleichgewichtszustandsbetrieb erreicht.
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Während des transienten Betriebs können sich die Bedingungen im Brennstoffzellensystem, einschließlich der Ventilposition, der Kompressorgeschwindigkeit und/oder des Druckverhältnisses, schnell ändern. Die Linie 256 des abgeleiteten Luftmassenflusses leitet einen MAF-Wert ab, der während des anfänglichen Hochfahrens oder des transienten Betriebs oberhalb des tatsächlichen Werts liegt, die Aufnahme der Ventilposition und/oder eines Datenfilters kann jedoch während des transienten Betriebs einen besseren abgeleiteten MAF 256 bereitstellen.
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Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung weisen zugeordnete nicht einschränkende Vorteile auf. Beispielsweise verwendet der Betrieb eines Brennstoffzellensystems einen Steueralgorithmus. Der Steueralgorithmus kann Rückkopplungssensoren verwenden. Der Brennstoffzellenstapel verwendet Luft und Wasserstoff bei einem gewünschten Druck, gewünschten Fluss und einer gewünschten Feuchtigkeit, um elektrischen Strom zu erzeugen. Der Steueralgorithmus steuert einen Kompressor in der Art eines elektronischen Superchargers, um den gewünschten Luftdruck und -fluss zu liefern. Ein herkömmliches System verwendet einen Luftmassenflusssensor und einen oder mehrere Luftdrucksensoren. Jeder Sensor, der im Brennstoffzellensystem verwendet wird, erhöht die Kosten und die Komplexität des Brennstoffzellensystems. Die vorliegende Offenbarung sieht ein Brennstoffzellensystem ohne einen Luftmassenflusssensor vor, wobei die Steuereinrichtung den Luftmassenfluss auf der Grundlage der Geschwindigkeit des Kompressors und des Druckabfalls über den Kompressor ableitet. Die Steuereinrichtung kann auch eine Steuerventilposition beim Ableiten des Luftmassenflusses verwenden, wobei die Ventilposition den Staudruck im System festlegt. Andere Druckabfälle im System können von der Steuereinrichtung berücksichtigt werden, einschließlich des Lufteinlass- oder Ansaugsystems, des Luftbefeuchtungssystems usw. Die Steuereinrichtung verwendet ein Verfahren, welches den Betrieb des Brennstoffzellensystems auf der Grundlage des abgeleiteten Luftmassenflusses, der eine Funktion des Druckverhältnisses über den Kompressor, der Kompressorgeschwindigkeit und/oder der Ventilposition ist, auf einen gewünschten Luftmassenfluss und Luftdruck steuert. Die Steuereinrichtung kann eine Rückkopplungsschleife oder eine Nachschlagetabelle verwenden, um den abgeleiteten Luftmassenfluss zu bestimmen.
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Wenngleich vorstehend als Beispiel dienende Ausführungsformen beschrieben wurden, ist es nicht vorgesehen, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Patentschrift verwendeten Wörter beschreibende und nicht einschränkende Wörter, und es ist zu verstehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener implementierender Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
