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HINTERGRUND
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Steuern der Wasserstoffspülung und insbesondere ein Verfahren und eine Einrichtung zum Steuern der Wasserstoffspülung während des Fahrens bei niedriger Leistung.
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Beschreibung der verwandten Technik
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Im Allgemeinen ist eine Brennstoffzelle eine Funktionseinheit, die Brennstoffenergie direkt in elektrische Energie wandelt und die Bestandteil eines Systems ist, bei dem ein Elektrodenpaar mit einer positiven und einer negativen Elektrode über einem Elektrolyten angeordnet ist, um sowohl elektrische Energie als auch Wärme mittels einer elektrochemischen Reaktion des ionisierten Brenngases zu erzeugen.
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Einer der Faktoren zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie ist die Wasserstoffkonzentration an einer Anode, da die Brennstoffzelle elektrische Energie mittels einer chemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Wenn eine Wasserstoffkonzentration von mindestens ca. 70% konstant gehalten wird, kann eine Brennstoffzelle ohne Leistungsabfall des Stapels betrieben werden. Der aus einem Wasserstofftank zugeführte Wasserstoff hat eine hohe Konzentration von 99,999%, aber eine Brennstoffzelle wird aufgrund der Feuchtigkeit, die während einer Reaktion in einem Stapel erzeugt wird, des Stickstoffs von einer Sauerstoff-Elektrode und einer Rezirkulation an der Wasserstoff-Elektrode tatsächlich bei einer Wasserstoffkonzentration von ca. 70% betrieben.
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Um die Konzentration an einer Wasserstoff-Elektrode aufrechtzuerhalten, wird Wasserstoff hoher Konzentration aus einem Wasserstofftank zugeführt, und eine Wasserstoffspülfunktion, bei der der interne Wasserstoff niedriger Konzentration nach außen ausgeleitet wird, muss regelmäßig durchgeführt werden. Ein Brennstoffzellenfahrzeug muss jedoch Wasserstoffemissionsstandards erfüllen, weshalb der Wasserstoff geeignet verdünnt und ausgeleitet werden muss, um eine vorübergehende Erhöhung der Konzentration des ausgeleiteten Wasserstoffs während der Wasserstoffspülung zu vermeiden. Demnach erfolgt die Wasserstoffspülung an einem Luftauslass, und der interne Wasserstoff in der ausgeleiteten Luft wird verdünnt und ausgeleitet.
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1 ist ein Graph einer I-V-Leistungskurve zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem Stand der Technik. Wie in 1 dargestellt wird der Dauerhaftigkeit eines Brennstoffzellenstapels wegen der Brennstoffzellenstapel für eine Einstellung einer oberen Spannung (X[V]) und für eine Begrenzung der Spannung im Brennstoffzellenstapel angesteuert. Insbesondere wird ein Gleichstrom-/Gleichstrom- (DC/DC) Wandler (BHDC) eines mit dem Brennstoffzellenstapel verbundenen Endes des Haupt-Buses aktiviert, um die Spannung durch Laden und Entladen der Batterie einzuregeln. In Region (2) des Stapelstroms gleich oder höher als Y[A] dient der von einem Brennstoffzellenstapel erzeugte Stapelstrom gleich oder höher Y[A] zum Antrieb eines Fahrzeugs und wird an andere Nebenaggregate (BOPs) geliefert, während eine obere Spannung (X[V]) oder niedriger konstant gehalten und eine Hochspannungsbatterie aufgeladen wird.
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Wenn jedoch eine derartige Steuerung kontinuierlich erfolgt, wird eine Hochspannungsbatterie vollständig geladen und kann nicht mehr aufgeladen werden, und folglich kann der DC/DC-Wandler die Spannung nicht mehr einregeln, so dass die Stapelspannung in Region ① einer oberen Spannung (X[V]) oder höher gelangt. Um insbesondere den Brennstoffzellenstapel auf die obere Spannung oder niedriger zu beschränken und zu betreiben, muss der Brennstoffzellenstapel in einen niedrigeren Zustand ③ als bei einer herkömmlichen I-V-Leistungskurve betrieben werden, und dementsprechend muss das dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Gas genauer gesteuert werden.
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Wenn jedoch die Wasserstoffzufuhr verringert wird, kann es zu Wasserstoffmangel kommen und dadurch eine Gegenspannung erzeugt werden, die eine Beschädigung der Hardware wie einer Membranelektrodenbaugruppe (MEA) oder einer Trennplatte verursachen kann, so dass ein Verfahren zum Einregeln und Steuern des Durchsatzes der zugeführten Luft angewendet wird. Insbesondere können die Drehzahl (RPM) eines Luftverdichters, der zur Zufuhr von Luft zu einem Brennstoffzellenstapel konfiguriert ist, und ein Öffnungsgrad eines Luftzufuhrregelventils, das an einem Luftauslass des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, so eingestellt werden, dass der Durchsatz der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft verringert und die I-V-Leistungskurve eines Stapels in einem Abschnitt, in dem ein niedriger Strom erforderlich ist, heruntergesetzt wird, wodurch die Spannung des Brennstoffzellenstapels begrenzt wird. Wenn jedoch eine Wasserstoffspülung erfolgt, während der Luftdurchsatz erheblich reduziert ist, strömt der ausgespülte Wasserstoff zurück, wodurch die Stapelspannung vorübergehend abfällt und so die Energieeffizienz und die Produktivität eines Brennstoffzellenfahrzeugs beeinträchtigt.
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Die in diesem Abschnitt offenbarten Informationen dienen nur dem besseren Verständnis des allgemeinen Hintergrunds der Erfindung und sind nicht als Bestätigung oder irgendeine Form eines Hinweises zu verstehen, dass sie den dem Fachmann bekannten Stand der Technik darstellen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Bereitstellung einer Wasserstoffspülung bereit, bei dem ein Rückströmen des gespülten Wasserstoffs zu einer Luftelektrode während des Fahrens bei niedriger Leistung verhindert wird.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Steuern einer Wasserstoffspülung die Schätzung eines Durchsatzes der zugeführten Luft zu einem Brennstoffzellenstapel und die Durchführung der Wasserstoffspülung auf Basis des geschätzten Durchsatzes beinhalten. Das Verfahren kann ferner vor der Schätzung des Durchsatzes der zugeführten Luft die Schätzung einer Wasserstoffkonzentration und die Bestimmung eines Zeitpunktes, zu dem die Wasserstoffspülung erforderlich ist, beinhalten.
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Die Durchführung der Wasserstoffspülung kann den Vergleich des geschätzten Durchsatzes der zugeführten Luft mit einem vorgegebenen ersten Luftdurchsatz beinhalten, und wenn der geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft gleich oder größer ist als die vorgegebene erste Luftdurchsatz, kann eine Wasserstoffspülung zu dem Zeitpunkt erfolgen, in dem sie erforderlich ist. Der vorgegebene erste Luftdurchsatz kann auf einen Wert eingestellt werden, der gleich oder größer ist als ein minimaler Durchsatz der zugeführten Luft, bei dem der ausgespülte Wasserstoff nicht zur Katode zurückströmt. Die Durchführung der Wasserstoffspülung kann die Durchführung der Wasserstoffspülung beinhalten, bei der der Durchsatz der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft während der Wasserstoffspülung nicht verringert wird.
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Das Verfahren kann ferner die Nachstellung des Durchsatzes der zugeführten Luft nach dem Vergleich beinhalten, wenn der im Vergleich geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft kleiner ist als der vorgegebene erste Luftdurchsatz. Insbesondere kann die Nachstellung des Durchsatzes der zugeführten Luft und die Einstellung eines Ziel-Durchsatzes der zugeführten Luft sowie die Nachstellung eines Öffnungsgrades eines Luftregelventils oder einer Drehzahl (RPM) eines Luftverdichter beinhalten, damit der Durchsatz der zugeführten Luft dem Ziel-Durchsatz der zugeführten Luft entspricht. Die Nachstellung des Durchsatzes der zugeführten Luft kann die Öffnung eines Luftregelventils und anschließend die Erhöhung der Drehzahl eines Luftverdichters umfassen.
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Das Verfahren kann nach der Nachstellung des Durchsatzes der zugeführten Luft den Vergleich des geschätzten Durchsatzes der zugeführten Luft mit einem vorgegebenen zweiten Luftdurchsatz aufweisen, wobei dann, wenn der geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft gleich oder größer ist als ein vorgegebener zweiter Luftdurchsatz, eine Wasserstoffspülung durchgeführt werden kann. Der vorgegebene zweite Luftdurchsatz kann auf einen Wert eingestellt werden, der gleich oder kleiner ist als ein Ziel-Durchsatz der zugeführten Luft. Nach der Wasserstoffspülung kann ein Öffnungsgrad eines Luftregelventils oder die Drehzahl eines Luftverdichters eingestellt werden, um den Durchsatz der zugeführten Luft wieder auf den Durchsatz der zugeführten Luft zurückzubringen, das für den Brennstoffzellenstapel erforderlich ist.
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Ferner kann die Durchführung der Wasserstoffspülung beinhalten, die Wasserstoffspülung im Bereitschaftszustand zu halten, bis das geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft gleich oder größer ist als ein vorgegebener erster Luftdurchsatz, wenn der geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft kleiner ist als der vorgegebenen erste Luftdurchsatz. Wenn sich die Wasserstoffspülung im Bereitschaftszustand befindet, kann eine Spülungs-Erhaltungsdauer auf Basis der Bereitschaftsdauer der Wasserstoffspülung während der nächsten Wasserstoffspülungssteuerung variiert werden. Die Spülungs-Erhaltungsdauer kann mit der Verlängerung des Bereitschaftszustands der Wasserstoffspülung zunehmen.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Steuerungssystem zur Wasserstoffspülung eine Wasserstoffspülungs-Steuerung enthalten, die zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration konfiguriert ist, um einen Zeitpunkt zu bestimmen und die Wasserstoffspülung durchzuführen, und eine übergeordnete Steuerung, die zum Schätzen eines Durchsatz der zugeführten Luft einem Brennstoffzellenstapel und zum Durchführen der Wasserstoffspülung auf Basis des geschätzten Durchsatzes der zugeführten Luft konfiguriert ist.
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Die übergeordnete Steuerung kann zum Vergleichen des geschätzten Durchsatzes der zugeführten Luft mit einer vorgegebenen ersten Luftdurchsatz und zum Durchführen einer Wasserstoffspülung zu einem Zeitpunkt, wenn eine Wasserstoffspülung erforderlich ist, konfiguriert sein, wenn der geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft gleich oder größer ist als ein vorgegebener erster Luftdurchsatz. Das Steuerungssystem für die Wasserstoffspülung kann ferner eine Luftzufuhr-Steuerung enthalten, die zur Durchführung der Wasserstoffspülung konfiguriert ist, ohne den Durchsatz der zugeführten Luft zum Brennstoffzellenstapel während der Wasserstoffspülung zu verringern.
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Das Steuerungssystem für die Wasserstoffspülung kann ferner eine Luftzufuhr-Steuerung enthalten, die zum Nachstellen des Öffnungsgrades eines Luftregelventil oder der Drehzahl (RPM) eines Luftverdichters konfiguriert ist, damit das Durchsatz der zugeführten Luft dem Ziel-Durchsatz der zugeführten Luft entspricht, das von der übergeordneten Steuerung eingestellt worden ist. Insbesondere kann die übergeordnete Steuerung zum Vergleichen des geschätzten Durchsatzes der zugeführten Luft mit einem vorgegebenen zweiten Luftdurchsatz konfiguriert sein und eine Wasserstoffspülung durchführen, wenn der geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft gleich oder größer ist als der vorgegebene zweite Luftdurchsatz.
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Die übergeordnete Steuerung kann zur Aufrechterhaltung der Wasserstoffspülung im Bereitschaftszustand konfiguriert sein, bis der geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft gleich oder größer ist als der vorgegebene erste Luftdurchsatz, wenn der geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft kleiner ist als der vorgegebene erste Luftdurchsatz. Die übergeordnete Steuerung kann ferner konfiguriert sein, die Spülungs-Erhaltungsdauer zu variieren und zu verlängern, da die Bereitschaftsdauer der Wasserstoffspülung während der nächsten Wasserstoffspülungssteuerung verlängert wird, wenn sich die Wasserstoffspülung im Bereitschaftszustand befindet.
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Figurenliste
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Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale sowie andere Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen; es zeigen:
- 1 einen Graphen einer I-V-Leistungskurve für den Betrieb eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem Stand der Technik;
- 2 ein Diagramm eines Bewegungspfades von Luft und Wasserstoff gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 3 ein Flussdiagramm eines Steuerungsverfahrens zur Wasserstoffspülung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 4 ein Flussdiagramm eines Steuerungsverfahrens zur Wasserstoffspülung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 5 ein Diagramm einer Struktur eines Systems zur Steuerung der Wasserstoffspülung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es versteht sich, dass der Begriff „Fahrzeug“ oder „fahrzeugtechnisch“ oder andere ähnliche hierin verwendete Begriffe allgemein Kraftfahrzeuge betreffen, wie Personenkraftwagen, einschließlich Komfort-Geländewagen (sports utility vehicles; SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wassermotorfahrzeuge einschließlich verschiedene Boote und Schiffe, Luftfahrzeuge und dgl. und auch Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (an der Steckdose aufladbar), Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb und andere Fahrzeuge für alternative Kraftstoffe (z. B. Kraftstoffe, die aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen werden) umfasst. Wie hierin verwendet ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug mit zwei oder mehr Antriebsquellen, z. B. Fahrzeuge sowohl mit Benzin- als auch Elektroantrieb.
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Obwohl das Ausführungsbeispiel so beschrieben wird, dass es eine Mehrzahl Einheiten zur Ausführung des beispielhaften Prozesses verwendet, versteht es sich, dass die beispielhaften Prozesse auch von einem oder einer Mehrzahl Module ausgeführt werden können. Außerdem versteht es sich, dass sich der Begriff Steuerung /Steuereinheit auf ein Hardware-Gerät bezieht, das einen Speicher und einen Prozessor enthält. Der Speicher ist zum Speichern der Module konfiguriert und der Prozessor ist speziell zum Ausführen der Module konfiguriert, um einen oder mehrere der später beschriebenen Prozesse auszuführen.
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Die hierin verwendete Terminologie hat den Zweck, nur bestimmte Ausführungsformen zu beschreiben und soll die Erfindung nicht einschränken. Wie hierin verwendet sollen die Singularformen“ einer, eine, eines“ und „der, die, das“ auch die Pluralformen umfassen, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes angibt. Außerdem versteht es sich, dass die Begriffe „aufweist“ und/oder „aufweisend“ bei Verwendung in dieser Beschreibung das Vorhandensein angegebener Merkmale, ganzzahliger Größen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bauteile angibt, aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzzahliger Größen, Schritte, Operationen, Elemente, Bauteile und/oder Gruppen derselben ausschließt. Wie hierin verwendet bezieht sich die Formulierung „und/oder“ auf sämtliche Kombinationen einer oder mehrerer der zusammengehörigen aufgeführten Positionen.
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Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Zusammenhang offensichtlich, ist der Begriff „etwa, ca.“ wie hierin verwendet so zu verstehen, dass er sich auf Werte innerhalb des normalen Toleranzbereichs der Technik bezieht, z. B. auf zwei Standardabweichungen vom Mittelwert. „Etwa“ oder „ca.“ kann als innerhalb von 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Wertes verstanden werden. Sofern aus dem Zusammenhang nicht anderweitig klar hervorgeht, sind alle hierin enthaltenen numerischen Werte durch den Begriff „etwa, ca.“ modifiziert.
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In den offenbarten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind spezifische strukturelle und funktionale Beschreibungen nur zum Zweck der Veranschaulichung von Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, und Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können auf vielerlei Arten verwirklicht werden und sind nicht auf die hier angegebenen Ausführungsformen beschränkt.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können auf unterschiedliche Weise geändert und in verschiedenen Formen verwirklicht werden, von den erläuternde Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind. Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sollten allerdings nicht dahingehend ausgelegt werden, dass sie auf die hierin angegebenen Ausführungsformen beschränkt sind, und sämtliche Änderungen, Äquivalente oder Alternativen innerhalb von Geist und Gültigkeitsbereich der vorliegenden Erfindung sind so zu verstehen, dass sie vom Gültigkeitsbereich der Erfindung abgedeckt sind.
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Obwohl Begriffe wie „erster, erste, erstes“, „zweiter, zweite, zweites“, „dritter, dritte, drittes“ usw. hierin zur Beschreibung verschiedener Elemente verwendet werden können, versteht es sich, dass diese Elemente durch diese Begriffe nicht eingeschränkt werden sollten. Die Begriffe dienen nur dazu, ein Element von einem anderen Element zu unterscheiden. Ein erstes Element kann z. B. als zweites Element und ein zweites Element als ein erstes Element bezeichnet werden, ohne von der Lehre der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Es versteht sich, dass dann, wenn ein Element wie eine Schicht, eine Region oder ein Substrat als mit einem anderen als „daran“, „verbunden“ oder „gekoppelt“ beschrieben wird, es direkt an dem anderen Element angeordnet, mit diesem verbunden oder gekoppelt sein kann, oder auch, dass Elemente dazwischen vorgesehen sein können. Wenn dagegen ein Element mit einem anderen Element als „direkt daran“, „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ beschrieben wird, sind dazwischen keine Elemente oder Schichten vorhanden. Andere Wörter zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen oder Schichten in ähnlicher Weise interpretiert werden, z. B. „zwischen“ im Gegensatz zu „direkt zwischen“, „angrenzend“ im Gegensatz zu „direkt angrenzend“ usw.
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Die in der vorliegenden Beschreibung verwendeten Begriffe dienen zur Erläuterung eines spezifischen Ausführungsbeispiels und nicht zur Einschränkung des vorliegenden erfindungsgemäßen Konzepts. Wie in der vorliegenden Beschreibung verwendet sollen deshalb die Singularformen auch die Pluralformen umfassen, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes angibt.
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Alle hierin verwendeten Begriffe einschließlich technischer oder wissenschaftlicher Begriffe haben die gleiche Bedeutung wie die, die dem Durchschnittsfachmann geläufig sind, an sich das vorliegende erfindungsgemäße Konzept wendet. Es versteht sich ferner, dass Begriffe, die in allgemein verwendeten Wörterbüchern definiert sind, in der gleichen Weise verstanden werden sollten wie in Zusammenhang mit der einschlägigen Technologie und nicht in einer idealen oder übermäßig formalen Bedeutung interpretiert werden dürfen, sofern sie nicht eindeutig anderweitig definiert sind.
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Nunmehr wird auf die Ausführungsbeispiele ausführlich eingegangen, von denen Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen kennzeichnen identische Bezugszeichen gleiche Elemente.
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2 ist ein Diagramm eines Bewegungspfades von Luft und Wasserstoff gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 dargestellt kann Wasserstoff, der aus einer Einrichtung zur Speicherung von Wasserstoff, wie einem Wasserstofftank, durch einen Wasserstoffeinlass eingeführt wird, mit Wasserstoffgas gemischt werden, das durch einen Wasserstoff-Rückführungskanal zu einem Ejektor eingeleitet wird, und einer Anode zugeführt werden. Über einen Luftverdichter kann Außenluft in einen Lufteinlass geleitet, einer Katode zugeführt und dann aus einem Luftauslass ausgeleitet werden.
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Um die Wasserstoffkonzentration an einer Anode eines Brennstoffzellenstapels auf einem vorgegebenen Niveau (z. B. ca. 70%) konstant zu halten, ist eine Wasserstoffspülung erforderlich, um Feuchtigkeit und Anodengas bei reduzierter Wasserstoffkonzentration ausgeleitet werden. Die Wasserstoffspülung kann auf Basis der Schätzung einer Wasserstoffkonzentration an einer Anode regelmäßig erfolgen. Außerdem kann die Wasserstoffspülung gleichzeitig mit der Kontrolle auf Katoden-Sauerstoffmangel (COD) erfolgen, wenn eine Brennstoffzelle ein- und ausgeschaltet wird, oder sie kann über die Schätzung des Partialdrucks des Wasserstoffs, die Integration des Stapelstroms oder sie kann durchgeführt werden, während eine Brennstoffzelle betrieben wird.
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Um die Wasserstoffemissionstandards zu erfüllen, kann eine Wasserstoffspülung durchgeführt werden, bei der Wasserstoff der von einer Katode ausgeleiteten Luft zugeführt wird, um die Wasserstoffkonzentration zu verringern. Wenn ein von einer Katode ausgeleiteter Luftdurchsatz gleich oder größer ist als ein vorgegebener Betrag, wird das ausgespülte Wasserstoffgas mit der von der Katode ausgeleiteten Luft verdünnt und nach außen geleitet, aber wenn der Durchsatz oder der Druck der von der Katode ausgeleiteten Luft niedriger ist als ein vorgegebener Betrag, kann das ausgespülte Wasserstoffgas zurückströmen und zur Katode gelangen.
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Insbesondere kann eine Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff an der Katode erfolgen, und folglich kann Sauerstoff an der Katode entfernt und die Spannung eines Brennstoffzellenstapels erheblich abfallen. Außerdem kann die Steuerung der Reduzierung des Durchsatzes der einem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft wie oben beschrieben im Stand der Technik beschrieben 50% oder mehr des gesamten Rollenprüfstand-Stadtfahrzyklus (UDDS) einnehmen. Deshalb besteht die Möglichkeit, dass die Spannung eines Brennstoffzellenstapels aufgrund der Steuerung der Wasserstoffspülung abfällt, weshalb ein Bedarf für ein Verfahren und ein Steuerungssystem zum Vermeiden eines Spannungsabfalls besteht.
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3 ist ein Flussdiagramm eines Steuerungsverfahrens zur Wasserstoffspülung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das hierin nachstehend beschriebene Verfahren kann von einer Steuerung mit einem Prozessor und einem Speicher ausgeführt werden. Wie in 3 dargestellt kann das Steuerungsverfahren für eine Wasserstoffspülung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Schätzung eines Durchsatzes der einem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft (S200) und die Steuerung der Wasserstoffspülung auf Basis des geschätzten Durchsatzes der zugeführten Luft (S300 und S500) enthalten.
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Das Verfahren kann ferner vor der Schätzung des Durchsatzes der zugeführten Luft (S200) die Schätzung der Wasserstoffkonzentration und die Bestimmung eines Zeitpunktes enthalten, zu dem eine Wasserstoffspülung erforderlich ist (S100). Ein Zeitpunkt, zu dem eine Wasserstoffspülung erforderlich ist, kann mittels verschiedener Verfahren bestimmt werden. Zum Beispiel kann während des Betriebs einer Brennstoffzelle ein Zeitpunkt, zu dem eine Wasserstoffspülung erforderlich ist, durch eine Schätzung der Konzentration oder des Partialdrucks des Wasserstoffs, eine Integration des Stapelstroms oder dgl. bestimmt werden. Wenn die geschätzte Wasserstoffkonzentration auf eine vorgegebene Wasserstoffkonzentration verringert worden ist, kann bestimmt werden, dass eine Wasserstoffspülung erforderlich ist. Außerdem kann eine Wasserstoffspülung gleichzeitig mit der Kontrolle auf Katoden-Sauerstoffmangel (COD) erfolgen, wenn eine Brennstoffzelle ein- und ausgeschaltet wird.
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Ferner kann ein Durchsatz der einem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft geschätzt werden. Insbesondere kann ein Durchsatz der einer Katode des Brennstoffzellenstapels zugeführten Luft mittels eines Sensors, der zum Messen des Durchsatzes der zugeführten Luft konfiguriert ist, geschätzt werden, und der Durchsatz der zugeführten Luft kann anhand einer Luftverdichter-Antriebsbedingung sowie anhand der Drehzahl eines Luftverdichters, der Lufttemperatur usw. geschätzt werden. Der Durchsatz der zugeführten Luft kann als ein Durchsatz der zugeführten Luft pro Stunde angegeben werden.
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Die Durchführung der Wasserstoffspülung (S300 und S500) kann den Vergleich des geschätzten Durchsatzes der zugeführten Luft mit einem vorgegebenen ersten Luftdurchsatz (S200) beinhalten, und wenn der geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft gleich oder größer ist als der vorgegebene erste Luftdurchsatz, kann eine Wasserstoffspülung zu einem Zeitpunkt erfolgen, in dem eine Wasserstoffspülung erforderlich ist (S300). Der vorgegebene erste Luftdurchsatz kann auf einen Wert gleich oder größer als ein minimaler Durchsatz der zugeführten Luft eingestellt werden, bei dem der ausgespülte Wasserstoff nicht zur Katode zurückströmt.
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Wenn wie oben beschrieben der Luftdurchsatz der einer Katode eines Brennstoffzellenstapels zugeführten Luft gleich oder kleiner ist als ein vorgegebener Wert, kann ausgespülter Wasserstoff zur Katode zurückströmen und in den Brennstoffzellenstapel gelangen. Ein erster Luftdurchsatz kann auf einen Wert gleich oder größer als ein minimaler Durchsatz eingestellt werden, um dieses Phänomen zu verhindern, damit dann, wenn der Durchsatz der einem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft gleich oder größer ist als der erste Luftdurchsatz, das Risiko, dass der ausgespülte Wasserstoff zur Katode zurückströmt, ausgeschlossen werden kann.
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Bei der Durchführung einer Wasserstoffspülung (S300) kann der Durchsatz der einem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft so gesteuert werden, dass er während einer Wasserstoffspülung (S310 und S320) nicht verringert wird (z. B. kann der Durchsatz der zugeführten Luft konstant gehalten werden). Mit anderen Worten, wenn der geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft gleich oder größer ist als ein vorgegebener erster Luftdurchsatz, und eine Wasserstoffspülung zu einem Zeitpunkt erfolgt, zu dem eine Wasserstoffspülung erforderlich ist, kann der Durchsatz der zugeführten Luft vor der Wasserstoffspülung (S310) so begrenzt werden, dass er nicht reduziert wird (z. B. konstant gehalten werden), und die Einschränkung der Reduzierung des Durchsatzes der zugeführten Luft kann nach der Wasserstoffspülung (S320) aufgehoben werden.
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Eine Wasserstoffspülung kann zwar eine sehr kurze Zeitspanne dauern, aber Lastschwankungen eines Fahrzeugs können sogar noch kürzer sein, und der Luftdurchsatz kann verringert werden, während ein Wasserstoffspülventil geöffnet ist. Dementsprechend muss verhindert werden, dass der Durchsatz der zugeführten Luft auf ein vorgegebenes Niveau oder weniger reduziert wird, um während der Spülung einen minimalen Luftdurchsatz aufrechtzuerhalten. Insbesondere kann das vorgegebene Niveau ein erster Luftdurchsatz sein. Demzufolge kann während einer Wasserstoffspülung verhindert werden, dass ein Luftverdichter unter einer bestimmten Drehzahl (RPM) betrieben wird, oder dass ein Luftregelventil unterhalb eines bestimmten Öffnungsgrads in Funktion ist. Mit anderen Worten, der Luftverdichter kann auf einer bestimmten Drehzahl und das Luftregelventil auf einem bestimmten Öffnungsgrad gehalten werden.
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Wenn beim Vergleich (S200) der geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft kleiner ist als ein vorgegebener erster Luftdurchsatz, kann das Verfahren ferner die Anpassung des Durchsatzes der zugeführten Luft (S410, S420 und S430) enthalten. Mit anderen Worten, wenn der Durchsatz der zugeführten Luft zu niedrig ist und eine Wasserstoffspülung durchgeführt wird, und die Gefahr besteht, dass ausgespülter Wasserstoff zurückströmt, kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung der Durchsatz angepasst werden, und dann eine Wasserstoffspülung erfolgen.
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Die Anpassung des Durchsatzes der zugeführten Luft (S410, S420 und S430) kann die Einstellung eines Ziel-Durchsatzes der zugeführten Luft (S410) und eines Öffnungsgrades eines Luftregelventiles enthalten, oder die Drehzahl eines Luftverdichter kann eingeregelt werden, damit der Durchsatz dem Ziel-Durchsatz der zugeführten Luft (S420 und S430) entspricht. Das Verfahren kann ferner nach der Einregelung des Durchsatzes der zugeführten Luft (S410, S420 und S430) den Vergleich des geschätzten Durchsatzes der zugeführten Luft mit einem vorgegebenen zweiten Luftdurchsatz (S440) enthalten. Wenn der geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft gleich oder größer ist als der vorgegebene zweite Luftdurchsatz, kann eine Wasserstoffspülung durchgeführt werden (S500).
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Der Ziel-Durchsatz der zugeführten Luft und der vorgegebene zweite Luftdurchsatz können unter Berücksichtigung eines Luftdurchsatzes eingestellt werden, der aktuell für einen Brennstoffzellenstapel erforderlich ist, und einer Sauerstoffmenge, die beim Zurückströmen des ausgespülten Wasserstoffs verbraucht wird. Der für den Brennstoffzellenstapel erforderliche Luftdurchsatz kann auf Basis des Stroms oder der Spannung des Brennstoffzellenstapels auf einen Luftdurchsatz eingestellt werden, der zur Leistungserzeugung eines Brennstoffzellenstapels erforderlich ist. Der vorgegebene zweite Luftdurchsatz kann ein Ziel-Durchsatz der zugeführten Luft oder weniger sein. Mit anderen Worten, der Ziel-Durchsatz ist ein Zielwert zur Anpassung eines Durchsatzes der zugeführten Luft und kann entsprechend höher als ein zweiter Luftdurchsatz eingestellt werden, um den Durchsatz der zugeführten Luft schnell zu erhöhen.
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Insbesondere, wenn z. B. ein Wasserstoffspülventil geöffnet ist und eine Wasserstoffspülung in einem Niedrigleistungsmodus eines Brennstoffzellenstapels erfolgt und unter der Annahme, dass das Wasserstoffspülventil ca. 0,4 Sekunden offen ist, kann 1 [l] ausgespülter Wasserstoffgas (Wasserstoff + Dampf + Stickstoff usw.) ausgeleitet werden. Die Wasserstoffkonzentration des ausgespülten Wasserstoffgases beträgt ca. 60% und somit können ca. 0,6 [l] Wasserstoff werden, und 0,6 [l] Wasserstoff können 0,3 [1] Sauerstoff vollständig verbrauchen. Bei der Annahme, dass das Verhältnis von Sauerstoff in Luft ca. 20% beträgt, kann mit dieser Menge der Sauerstoff in 1,5 [l] Luft vollständig verbraucht werden.
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Um außerdem 1,5 [l] Luft zuzuführen, kann die Zufuhr ca. 0,4 Sekunden lang während der Wasserstoffspülung erfolgen, und mindestens 225 Liter pro Minute (l/min) des Durchsatzes eines Brennstoffzellenstapels müssen zugeführt werden. Folglich kann selbst dann, wenn Sauerstoff verbraucht wird, wenn ausgespülter Wasserstoff zurückströmt, Sauerstoff der Katode zugeführt werden. Ähnlich wie im obigen Beispiel kann der zweite Luftdurchsatz auf einen Luftdurchsatz eingestellt werden, der als die Summe eines Luftdurchsatzes „c“ einer Sauerstoffmenge, die beim Zurückströmen ausgespülten Wasserstoffs verbraucht wird, und eines Luftdurchsatzes „b“, der für einen Brennstoffzellenstapel erforderlich ist, erhalten wird. Der Ziel-Durchsatz kann auf einen Wert eingestellt werden, der durch Addieren einer vorgegebenen Zugabe „+α“ zum zweiten Luftdurchsatz erhalten wird.
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Wenn der geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft gleich oder größer ist als der vorgegebene zweite Luftdurchsatz (S440), kann eine Wasserstoffspülung durchgeführt werden (S500). Insbesondere kann der Durchsatz der zugeführten Luft auch begrenzt werden, so dass er während der Wasserstoffspülung nicht reduziert wird. Die Anpassung des Durchsatzes der zugeführten Luft (S410, S420 und S430) kann die Nachstellung der Öffnung eines Luftregelventils oder der Drehzahl eines Luftverdichters zur Anpassung des Durchsatzes enthalten. Die Drehzahl eines Luftverdichters kann nicht so gesteuert werden, dass sie gleich oder niedriger ist als eine vorgegebene Drehzahl oder gleich oder höher ist als die Drehzahl, und dementsprechend kann der Luftverdichter gemeinsam mit dem Luftregelventil zur Anpassung des Durchsatzes in einem größeren Bereich betrieben werden.
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Insbesondere kann das Luftregelventil geöffnet (S420) und dann die Drehzahl des Luftverdichters erhöht werden (S430). Selbst wenn die Drehzahl des Luftverdichters erhöht wird, während das Luftregelventil unzureichend geöffnet ist, kann der Durchsatz nicht ansteigen und ein Überdruck entstehen, der eine Beschädigung der Hardware verursacht. Wenn das Luftregelventil geöffnet ist und dann die Drehzahl des Luftverdichters zunimmt, kann folglich der Durchsatz der zugeführten Luft in vorteilhafter Weise erhöht werden.
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Nach der Wasserstoffspülung (S500) können der Öffnungsgrad eines Luftregelventils oder die Drehzahl eines Luftverdichters eingeregelt werden, um den Durchsatz der zugeführten Luft wieder auf einen Durchsatz „b“ zurückzubringen, der für einen Brennstoffzellenstapel erforderlich ist (S610, S620 und S630). Insbesondere kann der Ziel-Durchsatz der zugeführten Luft auf einen Luftdurchsatz „b“ eingestellt werden, und ein Durchsatz der zugeführten Luft dem Luftdurchsatz „b“ angepasst werden (S610). Wenn der Durchsatz der zugeführten Luft reduziert wird, kann die Drehzahl des Luftverdichters verringert werden (S620) und dann kann der Öffnungsgrad des Luftregelventils verringert werden (S630) .
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4 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung einer Wasserstoffspülung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 4 dargestellt kann die Durchführung einer Wasserstoffspülung (S300 und S900) des Steuerungsverfahren für eine Wasserstoffspülung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das Halten der Wasserstoffspülung im Bereitschaftszustand (S700) enthalten, bis der geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft gleich oder größer ist als der vorgegebene erste Luftdurchsatz, wenn der geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft kleiner ist als der vorgegebene erste Luftdurchsatz (S200).
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Mit anderen Worten, beim Ausführungsbeispiel von 3 kann der Durchsatz der zugeführten Luft aktiv angepasst werden, um eine Wasserstoffspülung durchzuführen, und andererseits kann bei der Ausführungsform auf passive Weise die Wasserstoffspülung im Bereitschaftszustand verbleiben, bis der geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft gleich oder größer ist als der vorgegebene erste Luftdurchsatz. Wenn sich die Wasserstoffspülung im Bereitschaftszustand befindet, kann eine Spülungs-Erhaltungsdauer während der nächsten Wasserstoffspülungssteuerung auf Basis der Dauer des Bereitschaftszustands variiert werden, wenn sich die Wasserstoffspülung im Bereitschaftszustand befindet (S710). Da sich insbesondere die Dauer des Bereitschaftszustands verlängert, wenn sich die Wasserstoffspülung im Bereitschaftszustand befindet, kann die Spülungs-Erhaltungsdauer verlängert werden. Die Spülungs-Erhaltungsdauer kann die Zeitspanne sein, während der ein Wasserstoffspülventil geöffnet ist.
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Mit anderen Worten, wenn eine Wasserstoffspülung zu einer normalen Zeit erfolgt (z. B. nicht während des Bereitschaftszustands), kann die Spülungs-Erhaltungsdauer auf β Sekunden eingestellt werden (S300), aber wenn sich die Wasserstoffspülung im Bereitschaftszustand befindet, bis der geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft gleich oder größer ist als ein vorgegebener erster Luftdurchsatz (S800) und dann eine Wasserstoffspülung erfolgt (S900), kann die Spülungs-Erhaltungsdauer auf β+γ Sekunden verlängert werden, was sich durch Addieren von γ Sekunden zu β Sekunden ergibt (S710). Insbesondere können γ Sekunden proportional zur Dauer des Bereitschaftszustands verlängert werden, wenn sich die Wasserstoffspülung im Bereitschaftszustand befindet, und können nicht auf einen vorgegebenen oberen Grenzwert oder darüber verlängert werden. Wenn sich die Wasserstoffspülung im Bereitschaftszustand befindet, bis der geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft gleich oder größer als der vorgegebene erste Luftdurchsatz (S800) und dann eine Wasserstoffspülung durchgeführt wird (S900), kann eine Verringerung des Durchsatzes auch während der Spülung eingeschränkt werden (S910 und S920).
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Auf eine Beschreibung gleicher Teile wie in 3 wird hier verzichtet. 5 ist ein Diagramm einer Struktur eines Systems zur Durchführung einer Wasserstoffspülung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 5 dargestellt kann das Steuerungssystem für eine Wasserstoffspülung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Steuerung 20 für eine Wasserstoffspülung enthalten, die zur Schätzung der Wasserstoffkonzentration konfiguriert ist, um einen Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem eine Wasserstoffspülung erforderlich ist und die Wasserstoffspülung durchzuführen, und eine übergeordnete Steuerung 10 (z. B. eine Gesamt- oder höhere Steuerung), die konfiguriert ist, den Durchsatz der einem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft zu schätzen und die Wasserstoffspülung auf Basis des geschätzten Durchsatzes der zugeführten Luft zu steuern.
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Die übergeordnete Steuerung 10 kann zum Vergleichen des geschätzten Durchsatzes der zugeführten Luft mit einem vorgegebenen ersten Luftdurchsatz konfiguriert sein. Wenn der geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft gleich oder größer ist als ein vorgegebener erster Luftdurchsatz, kann eine Wasserstoffspülung zu einem Zeitpunkt durchgeführt werden, zu dem eine Wasserstoffspülung erforderlich ist. Das Steuerungssystem für eine Wasserstoffspülung kann ferner eine Luftzufuhr-Steuerung 30 enthalten, die so zum Anpassen des Durchsatzes der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft konfiguriert ist, dass er während der Wasserstoffspülung nicht reduziert wird.
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Das Steuerungssystem für eine Wasserstoffspülung kann ferner die Luftzufuhr-Steuerung 30 enthalten, die zum Einregeln des Öffnungsgrades eines Luftregelventil 60 oder der Drehzahl eines Luftverdichters 50 konfiguriert ist, so dass der Durchsatz der zugeführten Luft dem von der übergeordneten Steuerung 10 einstellten Ziel-Durchsatz entspricht. Insbesondere kann die übergeordnete Steuerung 10 konfiguriert sein, den geschätzten Durchsatz der zugeführten Luft mit dem vorgegebenen zweiten Luftdurchsatz zu vergleichen, und wenn der geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft gleich oder größer ist als der vorgegebene zweite Luftdurchsatz, kann eine Wasserstoffspülung durchgeführt werden.
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Wenn der geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft kleiner ist als der vorgegebene erste Luftdurchsatz, kann die übergeordnete Steuerung 10 zum Halten der Wasserstoffspülung im Bereitschaftszustand konfiguriert sein, bis der geschätzte Durchsatz der zugeführten Luft gleich oder größer ist als der vorgegebene erste Luftdurchsatz. Wenn sich die Wasserstoffspülung im Bereitschaftszustand befindet, kann die übergeordnete Steuerung konfiguriert sein, die Spülungs-Erhaltungsdauer zu variieren und zu verlängern, da die Bereitschaftsdauer der Wasserstoffspülung während der nächsten Wasserstoffspülungssteuerung verlängert wird, wenn sich die Wasserstoffspülung im Bereitschaftszustand befindet.
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Die Steuerung 20 für eine Wasserstoffspülung kann ferner zum Bestimmen eines Zeitpunkts einer Wasserstoffspülung und zum Betätigen eines Wasserstoffspülventils 40 zur Durchführung einer Wasserstoffspülung konfiguriert sein. Die Luftzufuhr-Steuerung 30 kann zum Einregeln der Drehzahl (RPM) des Luftverdichters 50 und des Öffnungsgrades des Luftregelventils 60 konfiguriert sein, um den Durchsatz der einer Katode eines Brennstoffzellenstapels zugeführten Luft anzupassen. Die übergeordnete Steuerung 10 kann eine Brennstoffzellen-Steuerung (FCU) sein, die zum Aktivieren jeder der Luftzufuhr-Steuerung 30 und der Steuerung 20 für eine Wasserstoffspülung konfiguriert ist, und die Steuerung 20 für eine Wasserstoffspülung als eine übergeordnete Steuerung sowie die Luftzufuhr-Steuerung 30 können getrennte Steuerungen oder in der Brennstoffzellen-Steuerung enthalten sein.
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Ein detailliertes Steuerungsverfahren eines Steuerungssystems ist das gleiche wie das der obigen Beschreibung des Steuerungsverfahrens und wird deshalb hier nicht beschrieben. Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, kann mittels eines Verfahrens und einer Einrichtung zur Steuerung einer Wasserstoffspülung gemäß der vorliegenden Erfindung die Konzentration von einer Wasserstoffelektrode zugeführtem Wasserstoffgas bedarfsgerecht konstant gehalten werden.
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Eine Situation, in der ausgespülter Wasserstoff zu einer Luftelektrode zurückströmt und die Stapelspannung abfällt, kann verhindert werden. Außerdem kann die Spannung eines Brennstoffzellenstapels auf einer oberen Grenzspannung oder darunter während des Fahrens bei niedrigem Durchsatz konstant gehalten werden, um die Dauerhaftigkeit des Brennstoffzellenstapels und die Produktivität eines Fahrzeugs zu verbessern.
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Obwohl die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben worden sind, versteht es sich für den Fachmann, dass die vorliegende Erfindung in verschiedenen anderen Ausführungsformen verwirklicht werden kann, ohne ihre technischen Ideen oder Merkmale zu ändern.
