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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, eine Steuereinheit und ein Brennstoffzellensystem.
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Stand der Technik
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In Antriebssystemen mit Brennstoffzellensystemen wird in der Regel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf zu reagieren und damit eine elektrische Energie zu gewinnen.
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Die Umgebungsluft wird mittels eines Kathodensystems dem Brennstoffzellenstapel zugeführt. Das Kathodensystem weist hierzu mehrere Komponenten auf, wie z. B. Sensoren, Ventile, darunter regelbare Ventile, wie z. B. Drosselklappen, und/oder Absperrventile, Verdichter, Turbinen usw., die für eine Kompression und/oder Förderung der Umgebungsluft dienen. Die Komprimierung bzw. Kompression der Zuluft findet häufig über eine thermische Strömungsmaschine (einstufig, mehrstufig und/oder mehrflutig) statt. Dabei kann optional zur Luftverdichtung eine Energie-Rückgewinnung der abströmenden feuchten Abluft mittels einer Turbine realisiert werden.
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Der Luftstrom im Kathodenpfad des Brennstoffzellenstapels transportiert zudem das durch Reaktion entstehende Wasser in Form von Wasserdampf und ggf. auch in flüssiger Tröpfchenform ab. Die sauerstoffverarmte feuchte Kathodenabluft wird zumeist über eine Abluftleitung an die Umgebung abgeführt. Oft wird in die Abluftleitung noch das Purge/Drain-Gasgemisch aus dem Anodensystem eingeleitet.
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Herausfordernd ist bei solchen Antriebssystemen den Start des Systems bei allen weltweit relevanten Bedingungen und bei unterschiedlich langen Stillstandszeiten des Systems funktional zu realisieren und dabei noch die Lebenszeitanforderungen zu erreichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches vor. Ferner sieht die Erfindung gemäß dem zweiten Aspekt ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des unabhängigen Produktanspruches, gemäß dem dritten Aspekt eine Steuereinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches und gemäß dem vierten Aspekt ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruches vor. Weitere Merkmale, Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einzelnen erfindungsgemäßen Aspekten beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen erfindungsgemäßen Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorliegende Erfindung sieht vor: ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (kann ebenfalls als System bezeichnet werden) in einem Stillstand und/oder in einem Standby-Betrieb,
wobei das Brennstoffzellensystem mindestens einen Brennstoffzellenstack (kann ebenfalls als Stack bezeichnet werden) mit einem Kathodensystem (kann ebenfalls als ein Luftsystem bezeichnet werden) zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an den mindestens einen Brennstoffzellenstack aufweist,
das Verfahren aufweisend:
- - Überwachen (insbesondere Erfassen, Abfragen und/oder Erhalten und vorzugsweise Auswerten) einer Temperatur im Brennstoffzellensystem, insbesondere im Kathodensystem,
- - Bestimmen (bspw. mithilfe vom Auswerten der Temperatur) einer Gefrierschutzmaßnahme-Anforderung an das Kathodensystem in Abhängigkeit von dem Überwachen,
wobei insbesondere eine Gefrierschutzmaßnahme-Anforderung mindestens einen oder mehreren Aktoren im Kathodensystem betreffen kann,
- - Aktivieren von mindestens einem oder mehreren Aktoren im Kathodensystem in Abhängigkeit von der Gefrierschutzmaßnahme-Anforderung,
wobei insbesondere der mindestens eine oder mehrere Aktoren im Kathodensystem gezielt ausgewählt werden können, bspw. in Abhängigkeit von der Historie und/oder vergangenem Verhalten,
wobei vorzugsweise die Aktoren regelbare Ventile und/oder Verdichter umfassen können,
- - Betreiben von mindestens einem oder mehreren Aktoren im Kathodensystem, um mindestens eine Komponente des Kathodensystems zu bewegen und/oder zu entfeuchten.
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Die Idee liegt zum einen darin, dass das System in Stillstandsphasen und/oder in Standby-Modi (z. B. Bergabfahrt) auf ein kritisches Abkühlen überwacht wird. Bei einem kritischen Abkühlen des Systems, nahe einem Gefrierbereich, bspw. unter 4 °C, unter 2°C oder einfach ausgedruckt nahe 0°C, kann eine eventuell im Kathodensystem vorhandene Feuchtigkeit einfrieren, ein Start des Systems erschweren und sogar die Komponenten des Kathodensystems schädigen. Die Idee liegt zum anderen darin, dass, wenn ein kritisches Abkühlen des Systems erkannt wird, gezielte Gefrierschutzmaßnahmen im Kathodensystem eingeleitet werden, um das Kathodensystem zumindest zum Teil zu entfeuchten und/oder die Aktoren während des Einfrierens von Wasser zeitweise zu bewegen, um Blockaden zu vermeiden.
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Hierzu können die Aktoren des Kathodensystems zumindest zum Teil aktiviert und auf eine bestimmte Weise angesteuert werden, um die Feuchtigkeit abzutransportieren und/oder die bewegbaren Teile der Aktoren beweglich halten bzw. frei von Eis zu bekommen.
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Hierzu kann eine Wake-Up-Prozedur vorgesehen werden.
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Zum Durchführen von Gefrierschutzmaßnahmen in einem Luftsystem (d. h. zum Entfeuchten des Kathodensystems und/oder Bewegen von Aktoren) können alle, einzelne oder ein Teil von den Aktoren betätigt/bewegt (bzw. gestartet) werden.
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Vorzugsweise können zum Durchführen von Gefrierschutzmaßnahmen des Kathodensystems alle, einzelne oder ein Teil von den Aktoren und ggf. Sensoren mit trockener - optional auch aufgewärmter Luft - durchströmt werden. Auf diese Weise können Komponenten des Kathodensystems entfeuchtet werden, indem auskondensiertes oder angesammeltes Wasser aus den Komponenten entfernt wird.
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Vorzugsweise können zum Bewegen von Aktoren, auch ohne Luftdurchströmung, die Aktoren zeitweise angesteuert und bewegt werden, um eine Blockade der Aktoren durch beginnendes Einfrieren von Wasser zu unterbinden bzw. das bereits entstandene Eis in einem noch „schwachem/dünnem“ Stadium loszubrechen.
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Nach dem Durchführen von Gefrierschutzmaßnahmen, bspw. Bewegen und/oder Entfeuchten, können die aktivierten Aktoren wieder abgeschaltet und/oder in ursprüngliche Stellung gebracht werden.
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Mithilfe des Verfahrens können kritische Fälle hinsichtlich einfrierendem Wasser und daraus folgender Beschädigungen und/oder Funktionseinschränkungen im System vorgebeugt/vermieden werden, wie bspw.:
- A1. Einfrieren von Wasser,
- z. B. auskondensiert durch Temperaturabsenkung und/oder
- z. B. angesammelt in einer Abluftleitung vor/beim Abstellen des Systems
- - in einer Stillstandsphase und/oder
- - in einer Standby-Phase (bspw. wenn der Stack abgeschaltet ist, sog. Null-Leistungsanforderung, z. B. bei einer Bergabfahrt/ Auskühlung durch Fahrtwind.)
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A2. Beim Start des Systems kann entstehendes Reaktionswasser einfrieren. Auch kann das bereits beim Start aufgetaute Wasser im System an anderen Stellen wieder einfrieren.
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Mithilfe des Verfahrens können Degradation, Beschädigungen, Funktionseinschränkungen an Aktoren und Sensoren im Kathodensystem auf eine vorteilhafte Weise vermieden werden, vorzugsweise in
- - In Stillstandsphasen
- - In Standby-Phasen, usw.
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Die Aktoren, die zum Durchführen von Gefrierschutzmaßnahmen aktiviert werden, können bspw. in einer Abluftleitung, in einer Bypassleitung und/oder in einer Zuluftleitung des Kathodensystems sich befinden. Die Zuluftleitung enthält zwar keine feuchte Abluft aus dem Stack, sie kühlt sich jedoch im Nicht-Betrieb auch ab und das Wasser kann auch dort an Oberflächen auskondensieren.
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Das Verfahren liefert vorteilhafte Gefrierschutzmaßnahmen, um Degradation und Schäden im System zu vermeiden, und um Funktionalität des Systems für den Wiederstart sicherzustellen.
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Vorteile des Verfahrens sind unter anderem:
- - Vermeidung von Schäden durch Eisdruck bei gefrierendem Wasser (im Stillstand und/oder im Standby),
- - Vermeidung von blockierten Aktoren bei Wiederstart,
- - Vermeidung bzw. Reduzierung der Wahrscheinlichkeit, dass Sensoren falsche Werte anzeigen (bei Wiederstart und/oder im Stillstand und/oder im Standby) und
- - damit Vermeiden von fehlgeleiteten Regelungen,
- - Vermeidung von Komponentenschäden beim Starten, z. B. durch Losbrechen bei gefrorenem Wasser
- - Vermeidung von Folgeschäden im gesamten Brennstoffzellensystem durch fehlgeschlagenen oder mangelhaften Gefrierstart, z. B. Stackdegradation, Stackbeschädigung, usw.
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Die Idee basiert auf den Wirkmechanismen, dass bei Abkühlung von Oberflächen Wasser auskondensieren und einfrieren kann und dieses Wasser durch Luftströmung/Konvektion von trockener und ggf. etwas aufgewärmter Luft - vor dem Einfrieren - abtransportiert werden kann und/oder dass durch Bewegen von Aktoren während dem Einfrieren von Wasser eine Blockade der Aktoren durch zu starke Eisbildung vermieden wird.
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Die Einleitung der Maßnahmen nahe dem Gefrierpunkt hat den Vorteil, dass es darunter keine erneute Kondensation in wesentlichen Mengen mehr geben kann.
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Das System kann hinsichtlich Temperaturen - vorzugsweise im Kathodensystem und deren Aktoren/Sensoren - überwacht werden. Die Überwachung kann zeitweise (mit adaptierbaren Abständen, je nach vorliegenden Randbedingungen und/oder thermischen Massen) oder auch kontinuierlich erfolgen. Die Überwachung kann erfolgen bspw. durch:
- - vorhandene Sensoren im Luftsystem.
- - Ermittlung der Temperaturen, z. B. über E-Maschine und/oder Leistungselektronik in einem motorisch angetriebenen Verdichter,
- - modellbasiert, usw.
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Dabei kann bspw. geprüft werden, ob sich die entsprechenden Temperaturen nahe oder etwas über dem Gefrierpunkt für Wasser 4 °C, 2°C, 0°C o. Ä. befinden und ob eine fallende Flanke der Temperatur vorliegt (Tcomp < Tlim1 und dT/dt <0). Eine steigende Flanke löst vorzugsweise keinen Trigger des Verfahrens aus.
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Fallen die relevanten Temperaturen unter eine applizierbare Schwelle, dann wird eine Gefrierschutzmaßnahme-Anforderung an das Kathodensystem festgestellt und die nächsten Schritte werden getriggert. Wenn nicht, dann erfolgt eine weitere Temperaturüberwachung.
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Betätigung/Aktivierung der Aktoren kann bspw. vorsehen:
- Ein Verdichter kann gestartet und auf einen adäquaten Betriebspunkt (Teillast oder Leerlauf, möglichst nicht Volllast) gebracht werden. Der Stack ist (und bleibt) abgeschlossen, d. h. Absperrventile am Stackeingang und am Stackausgang sind zu. Das Kathodensystem kann über ein offenes oder teiloffenes Bypassventil betrieben werden (sog. Bypass-Betriebsmodus). Der Luftmassenstrom kann somit die Komponenten im Kathodensystem trocknen und das auskondensierte Wasser abführen:
- - aus dem Zuluftpfad,
- - aus dem Bypasspfad
- - aus dem Abgaspfad, und
- - sowohl von Aktor- als auch Sensor-Oberflächen.
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Durch Betriebspunktänderung (Drehzahl und/oder Androsselung durch Ventile, z. B., Bypassventil) kann Druck, Massenstrom und Temperatur verändert werden und die Bedingungen so eingestellt werden, dass die Gefrierschutzmaßnahmen auf eine verbesserte Weise durchgeführt werden können.
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Hinsichtlich einer Turbine können bspw. zwei Varianten vorgesehen werden:
- V1: Drehzahl (Turbine) =0 (bzw. gewollter Ruhezustand der Turbine) In dieser Variante kann der Turbinenbypass geöffnet oder so teilgeöffnet bleiben, sodass die Turbinen-Welle sich nicht beginnt zu drehen. Der Luftstrom kann sich auf Turbine und Turbinenbypass verteilen und in beiden Pfaden entfeuchten.
- V2: Drehzahl (Turbine) > 0 (bzw. gewolltes Starten der Turbine) In dieser Variante kann der Turbinenbypass geschlossen (komplett oder nahezu) bleiben, sodass die Turbinen-Welle sich beginnt zu drehen und auf zumindest eine Leerlaufdrehzahl bzw. minimale Drehzahl gebracht wird.
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Vorteilhafterweise kann das Verfahren eine lernende Adaption vorsehen, bspw. abhängig von der Historie der Maßnahmen an den Aktoren. Bspw., wenn die Maßnahme V1 in Vergangenheit ausgereicht hat, um einen späteren nachfolgenden Start ordnungsgemäß zu realisieren, wird die Maßnahme V1 weiter angewandt. Wenn nicht, dann kann die Maßnahme V2 angewandt werden.
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Die Ventile/Drosselklappen können vorteilhafterweise parallel zu dem Verdichter/Turbine oder stattdessen angesteuert werden, um die korrespondierenden Klappen freizukriegen.
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Wird das Verfahren ohne Start der Luftförderung durchgeführt, dann können die verbleibenden Aktoren zeitweise angesteuert und damit bewegt werden. Dadurch wird vermieden, dass einfrierendes Wasser eine zu dicke Eisschicht an den Aktoren verursacht. Es wird sichergestellt, dass die Aktoren bei Wiederstart des Systems nicht blockiert sind.
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Vorteilhafterweise kann das Verfahren vorsehen, dass zum Betreiben von mindestens einem oder mehreren Aktoren im Kathodensystem ein intermittierender, stetiger oder konstanter Betrieb, insbesondere ein Teillastbetrieb oder Leerlauf, durchgeführt wird.
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Der Trigger für Beendigung der Maßnahmen kann bspw. sein:
- - eine gewisse Zeit ist abgelaufen,
- - eine bestimmte Luftmasse/Luftmenge ist umgesetzt worden,
- - eine bestimmte Wegstrecke des jeweiligen Aktors ist erreicht,
- - eine bestimmte Anzahl an Aktorbewegungen ist erreicht, -bestimmte Bedingungen z. B. Temperaturbedingungen sind erreicht,
- - bestimmte differentielle Bedingungen sind erreicht, bspw. Temperaturdifferenz zwischen Start und Ende der Maßnahme ist erreicht,
- - bestimmter steigender Temperaturgradient ist erreicht, usw.
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Nach einer Beendigung eines Durchlaufs des Verfahrens kann eine Rückkehr zur Temperaturüberwachung vorgesehen werden. Sind die relevanten Temperaturen weiterhin nahe dem Gefrierpunkt können die oben genannten Verfahrensschritte erneut angetriggert werden (auch ohne wesentlich fallende Flanke). Jedoch kann hier zusätzlich das Kriterium Anzahl der Durchläufe kleiner als eine vorgesehene Anzahl vorgesehen sein (z. B. 2 oder 3). Ist der Temperaturgradient jedoch deutlich positiv so wird das Verfahren nicht mehr angetriggert.
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Vorteilhafterweise kann ferner vorgesehen sein, dass das Überwachen einer Temperatur im Brennstoffzellensystem periodisch, ereignisgesteuert (bspw. mit anderen Maßnahmen im Stillstand und/oder Standby-Modus) oder kontinuierlich erfolgt. Auf diese Weise kann das Verfahren flexibel durchgeführt werden. Vorteilhafterweise kann dadurch sicher erkannt werden, ob ein kritisches Abkühlen des Systems stattfindet, bzw. nahe einem Gefrierbereich, z. B. unter 4 °C, unter 2°C oder 0°C.
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Weiterhin kann vorteilhaft sein, wenn beim Überwachen einer Temperatur im Brennstoffzellensystem mindestens ein Temperatursensor im Brennstoffzellensystem, im Kathodensystem und/oder in mindestens einem oder mehreren Aktoren im Kathodensystem verwendet wird. Auf diese Weise können interne Systemsensoren genutzt werden, um ein kritisches Abkühlen des Systems zu erkennen.
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Des Weiteren kann vorteilhaft sein, wenn beim Überwachen einer Temperatur im Brennstoffzellensystem mindestens ein externer Sensor außerhalb des Brennstoffzellensystems verwendet wird. Auf diese Weise kann das Verfahren auf externe Ressourcen zurückgreifen um ein kritisches Abkühlen des Systems zu erkennen.
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Zudem kann vorteilhaft sein, wenn beim Überwachen einer Temperatur im Brennstoffzellensystem mindestens ein Wetterdienst abgefragt wird. Auf diese Weise kann eine effiziente Lösung bereitgestellt werden, um ein kritisches Abkühlen des Systems zu erkennen.
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Von gemessenen Werten an einer Stelle (Aktor oder Sensor) kann auch modellbasiert auf eine andere Stelle (anderer Aktor) umgerechnet werden.
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Vorteilhafterweise kann beim Bestimmen einer Gefrierschutzmaßnahme-Anforderung mindestens eine erste Temperaturschwelle, insbesondere in Höhe von 4°C, 2°C oder 1°C, verwendet werden, und/oder dass beim Bestimmen einer Gefrierschutzmaßnahme-Anforderung ein Temperaturgradient überwacht wird, wobei eine Gefrierschutzmaßnahme-Anforderung an das Kathodensystem dann erfasst wird, wenn die erste Temperaturschwelle unterschritten wird und insbesondere ein negativer Temperaturgradient erfasst wird. Auf diese Weise kann einfach und effizient auf ein kritisches Abkühlen des Systems geschlossen werden. Wenn der Temperaturgradient positiv ist, kann bspw. das Verfahren in die Überwachungsphase zurückkehren.
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Ferner kann das Verfahren vorsehen, dass beim Bestimmen einer Gefrierschutzmaßnahme-Anforderung mindestens eine zweite Temperaturschwelle, insbesondere in Höhe von 0°C, -1°C, -2°C oder -4°C, verwendet wird, wobei das Verfahren ausgesetzt wird, wenn die zweite Temperaturschwelle unterschritten wird. Dabei erkennt das Verfahren, dass Entfeuchtungsmaßnahmen die zu tiefen Temperaturen nicht überwinden können. Das Verfahren kann in diesem Falle in die Überwachungsphase zurückkehren.
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Um eine besonders vorteilhafte Durchführung von Maßnahmen sicherstellen zu können und ein lernendes Verfahren zu ermöglichen, können beim Bestimmen einer Gefrierschutzmaßnahme-Anforderung Ergebnisse von vorhergehenden Durchläufen des Verfahrens berücksichtigt werden. Wenn bspw. eine Maßnahme, mit wenig Aufwand und/oder Risiko, Erfolge gezeigt hat, dann kann diese Maßnahme wiederholt werden. Wenn bspw. eine Maßnahme keine ausreichende Entfeuchtung/Bewegung gezeigt kann, dann kann die Maßnahme verschärft werden und/oder eine andere Maßnahme bevorzugt werden.
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Um eine besonders zielgerichtete Durchführung von Maßnahmen sicherstellen zu können und ein lernendes Verfahren zu ermöglichen, kann beim Bestimmen einer Gefrierschutzmaßnahme-Anforderung mindestens ein Betriebsparameter von mindestens einem oder mehreren Aktoren im Kathodensystem berücksichtigt werden,
wobei insbesondere der mindestens eine Betriebsparameter mindestens einen von den folgenden Parametern umfasst:
- - Aktivierungszahl,
- - Antriebsmoment,
- - Stromstärke,
- - Drehzahl,
- - Lagerbeschaffenheit, usw.
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Wenn bspw. die zulässige Aktivierungszahl von Aktoren erreicht oder nahezu erreicht wurde, kann von dem Aktivieren von diesen Aktoren abgesehen werden.
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Auch können dadurch zulässige Mindestgrenzen für die Betriebsparameter berücksichtigt werden.
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Grundsätzlich ist es denkbar, dass eine Gefrierschutzmaßnahme-Anforderung an das Kathodensystem eine Aktivierung von mindestens einem, insbesondere regelbaren, Ventil vorsehen kann, vorzugsweise von mindestens einem von den folgenden Ventilen:
- - Bypassventil für den mindestens einen Brennstoffzellenstack,
- - Ventil für mindestens eine funktionswesentliche Komponente des Kathodensystems (10), insbesondere einer Abluftleitung,
- - Druckregelventil in einer Abluftleitung,
- - Bypassventil für mindestens einen Befeuchter,
- - Bypassventil für eine Turbine, usw.
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Sicherheitshalber kann eine Gefrierschutzmaßnahme-Anforderung an das Kathodensystem eine Schließhaltung von Absperrventilen für den mindestens einen Brennstoffzellenstack vorsehen. Auf diese Weise können Leerlaufspannungen im System vermieden werden.
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Um die Gefrierschutzmaßnahmen gezielt und/oder komponentenschonend durchführen zu können, kann vorgesehen sein, dass eine Gefrierschutzmaßnahme-Anforderung an das Kathodensystem eine Entfeuchtung/Bewegung von mindestens einem oder mehreren Aktoren, Sensoren, Ventilen und/oder Leitungen im Kathodensystem vorsehen kann.
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Vorteilhafterweise können die Gefrierschutzmaßnahmen vorsehen, dass zum Betreiben von mindestens einem oder mehreren Aktoren im Kathodensystem ein intermittierender, stetiger oder konstanter Betrieb, insbesondere ein Teillastbetrieb oder Leerlauf, durchgeführt wird. Intermittierender Betrieb von Aktoren kann einen verbesserten Abtransport von Feuchtigkeit und/oder verbesserte Eisbrechung an Ventilklappen ermöglichen. Ein stetiger, bspw. steigender Betrieb von Aktoren, kann bspw. die Aktoren besonders schonend in Betrieb nehmen. Ein konstanter Betrieb kann wiederum besonders einfach umgesetzt werden.
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Ferner kann das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:
- - Deaktivieren von dem mindestens einen oder den mehreren Aktoren im Kathodensystem, wenn zum Durchführen von Gefrierschutzmaßnahmen insbesondere:
- - eine bestimmte Zeit abgelaufen ist,
- - ein bestimmter Luftmassenstrom bereitgestellt wurde,
- - eine bestimmte Wegstrecke des jeweiligen Aktors zurückgelegt wurde,
- - eine bestimmte Anzahl der periodischen Aktorbewegungen erreicht wurde,
- - eine bestimmte Temperatur erreicht wurde,
- - eine bestimmte Temperaturdifferenz erreicht wurde,
- - ein positiver Temperaturgradient erfasst wird, usw.
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Auf diese Weise kann ein begrenzter Betrieb von Aktoren ermöglicht werden, welcher effizient durchgeführt und gezielt beendet werden kann.
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Vorteilhafterweise kann das Verfahren wiederholend durchgeführt werden, wobei insbesondere ein Zähler vorgesehen sein kann, um eine zulässige Anzahl an Wiederholungen für das Verfahren, zumindest in einem ausgewählten Zeitrahmen, zu bestimmen bzw. zu begrenzen. Wenn das Verfahren eine effiziente Gefrierschutzmaßnahme ermöglichen kann, dann werden die Gefrierschutzmaßnahmen in einer gewissen Zeit Erfolge zeigen. Wenn das Verfahren keine effiziente Gefrierschutzmaßnahme ermöglichen kann, dann kann das Verfahren beendet werden.
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Ferner stellt die Erfindung bereit: ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren durchzuführen, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
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Weiterhin stellt die Erfindung bereit: eine Steuereinheit, aufweisend eine Recheneinheit und eine Speichereinheit, in welcher ein Code hinterlegt ist, welcher bei zumindest teilweiser Ausführung durch die Recheneinheit ein Verfahren durchführt, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe der erfindungsgemäßen Steuereinheit können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
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Des Weiteren stellt die Erfindung bereit: ein Brennstoffzellensystem, wobei das Brennstoffzellensystem eine korrespondierende Steuereinheit aufweist. Mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
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Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems,
- 2 ein schematischer Temperaturverlauf bei einem kritischen Abkühlen des Systems,
- 3 ein schematischer Verlauf eines Verfahrens im Rahmen der vorliegenden Offenbarung.
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Die 1 zeigt ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 100 aufweisend:
- - mindestens einen Brennstoffzellenstapel 110 und
- - ein Kathodensystem 10 zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an den mindestens einen Brennstoffzellenstapel 110.
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Das Brennstoffzellensystem 100 kann für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 kann mindestens einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel 110, sog. Brennstoffzellenstacks oder einfach bezeichnet als Stacks, mit jeweils mehreren gestapelten Wiederholeinheiten in Form von mehreren Brennstoffzellen, bspw., PEM-Brennstoffzellen, aufweisen.
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Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst somit ein Kathodensystem 10 mit einer Zuluftleitung 11 zum Stack 110 und einer Abluftleitung 12 vom Stack 110. Am Eingang der Zuluftleitung 11 wird zumeist ein Luftfilter AF angeordnet, um schädliche chemische Substanzen und Partikel zu filtern bzw. deren Eintritt ins System 100 zu verhindern.
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Das Kathodensystem 10 kann eine oder mehrere Kompressionseinheiten KE1, KE2 aufweisen, die dazu dienen, die Luft aus der Umgebung U anzusaugen und in Form einer Zuluft an den Stack 110 bereitzustellen. Nach dem Durchlauf des Stacks 110 wird eine Abluft aus dem Stack 110 über die Abluftleitung 12 wieder an die Umgebung U abgelassen.
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Die Kompressionseinheiten KE1, KE2 können mindestens eine Kompressionseinheit KE1 aufweisen, die bspw. elektromotorisch angetrieben wird. Die Kompressionseinheit KE1 kann, wie gezeigt, zweiflutig ausgeführt sein (Verdichter V1.1, V1.2). Ebenso ist es aber auch denkbar, dass die Kompressionseinheit KE1 zweistufig ausgeführt sein kann.
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Die Kompressionseinheiten KE1, KE2 können mindestens eine Kompressionseinheit KE2 aufweisen, die bspw. mithilfe einer Turbine TB angetrieben wird. Die Turbine TB kann motorisch oder rein fluidisch angetrieben werden und einen zweiten Verdichter V2 unterstützen. Um die Turbine TB kann eine Bypassleitung mit einem Bypassventil ByT vorgesehen sein.
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Die Kompressionseinheiten KE1, KE2 zählen zu Aktoren des Kathodensystems 10.
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Wie es die 1 andeutet, können/kann stromabwärts nach den Kompressionseinheiten KE1, KE2 mindestens ein oder mehrere Zuluftkühler IC vorgesehen sein. Der mindestens eine Zuluftkühler IC kann ebenfalls eine Bypassleitung mit einem Bypassventil aufweisen (lediglich aus Einfachheitsgründen nicht dargestellt).
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Optional kann im Rahmen des Kathodensystems 10 weiterhin ein Befeuchter HM vorgesehen sein.
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Vor und nach dem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack 110 können Absperrventile SV1, SV2 vorgesehen sein.
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Zudem kann in der Abluftleitung 12 ein Ventil CVexh als Druckregler vorgesehen sein.
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Zwischen der Zuluftleitung 11 und der Abluftleitung 12 kann eine Bypassleitung 13 mit einem Bypassventil ByCath vorgesehen sein.
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Zu weiteren Aktoren des Kathodensystems 10 zählen regelbare Ventile: Bypassventil ByCath in der Bypassleitung 13, Bypassventil ByT in der Turbinen-Bypassleitung, Druckregler CVexh, Bypassventil in der Zuluftkühler-Bypassleitung, usw.
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Wie es die 3 zeigt, wird ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems bereitgestellt, aufweisend folgende Aktionen/Verfahrensschritte:
- 101 Überwachen (insbesondere Erfassen, Abfragen und/oder Erhalten und vorzugsweise Auswerten) einer Temperatur T im Brennstoffzellensystem, insbesondere im Kathodensystem,
- 102 Bestimmen (bspw. mithilfe vom Auswerten der Temperatur) einer Gefrierschutzmaßnahme-Anforderung an das Kathodensystem in Abhängigkeit von dem Überwachen, wobei insbesondere eine Gefrierschutzmaßnahme-Anforderung das ganze Kathodensystem 10 oder mindestens einen oder mehreren Aktoren im Kathodensystem betreffen kann,
- 103 Aktivieren von mindestens einem oder mehreren Aktoren im Kathodensystem in Abhängigkeit von der Gefrierschutzmaßnahme-Anforderung, wobei insbesondere der mindestens eine oder mehrere Aktoren im Kathodensystem gezielt ausgewählt werden können, bspw. in Abhängigkeit von der Historie und/oder vergangenem Verhalten (vgl. Schritte 106, 107), wobei vorzugsweise die Aktoren regelbare Ventile (ByCath, ByT, CVexh, usw.) und/oder Verdichter (V1.1, V1.2, V2) umfassen können,
- 104 Betreiben von mindestens einem oder mehreren Aktoren im Kathodensystem, um mindestens eine Komponente des Kathodensystems zu bewegen und/oder zu entfeuchten.
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Zum einen wird das System 100 in Stillstandsphasen und/oder in Standby-Modi (z. B. Bergabfahrt) auf ein kritisches Abkühlen (vgl. 2) überwacht. Bei einem kritischen Abkühlen des Systems 100, nahe einem Gefrierbereich, bspw. unter 4 °C, unter 2°C oder einfach ausgedruckt nahe 0°C, kann eine eventuell im Kathodensystem 10 vorhandene Feuchtigkeit einfrieren, ein Start des Systems 100 erschweren und sogar die Komponenten des Kathodensystems 10 schädigen.
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Zum anderen werden, wenn ein kritisches Abkühlen des Systems 100 erkannt wird, gezielte Maßnahmen im Kathodensystem 10 eingeleitet, um mindestens eine oder mehrere Komponenten im Kathodensystem 10 zumindest zum Teil von Eis zu befreien und/oder zu entfeuchten.
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Hierzu können die Aktoren (Ventile (ByCath, ByT, CVexh, usw.) und/oder Verdichter (V1.1, V1.2, V2)) des Kathodensystems 10 zumindest zum Teil aktiviert und auf eine bestimmte Weise angesteuert werden, um die Feuchtigkeit abzutransportieren und/oder die bewegbaren Teile der Aktoren frei von Eis zu bekommen.
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Hierzu kann im Schritt 102 eine Wake-Up-Prozedur vorgesehen werden.
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Zum Durchführen von Gefrierschutzmaßnahmen des Kathodensystems 10 können grundsätzlich alle, nur einige oder mehrere Aktoren betätigt/bewegt (bzw. gestartet) werden.
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Mithilfe von angetriebenen Verdichtern V1.1, V1.2, V2 können alle, einzelne oder ein Teil von den Aktoren und ggf. Sensoren mit trockener - optional auch aufgewärmter Luft - durchströmt werden. Auf diese Weise kann auskondensiertes oder angesammeltes Wasser aus den Komponenten entfernt werden.
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Mithilfe von bewegten Ventile ByCath, ByT, CVexh, usw. kann Eis an den Klappen gebrochen werden. Dies ist alternativ auch möglich ohne den Betrieb der Luftverdichter.
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Nach einem Durchführen der Schritte 101 bis 104 können im Schritt 105 die aktivierten Aktoren wieder abgeschaltet/in ursprüngliche Stellung gebracht werden.
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Mithilfe des Verfahrens können kritische Fälle hinsichtlich einfrierendem Wasser und daraus folgender Beschädigungen und/oder Funktionseinschränkungen im System vorgebeugt/vermieden werden.
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Mithilfe des Verfahrens können mehrere Vorteile erreicht werden:
- - Vermeidung von Schäden durch Eisdruck bei gefrierendem Wasser (im Stillstand und/oder im Standby),
- - Vermeidung von blockierten Aktoren bei Wiederstart,
- - Vermeidung bzw. Reduzierung der Wahrscheinlichkeit, dass Sensoren falsche Werte anzeigen (bei Wiederstart und/oder im Stillstand und/oder im Standby) und
- - damit Vermeiden von fehlgeleiteten Regelungen,
- - Vermeidung von Komponentenschäden beim Starten, z. B. durch Losbrechen bei gefrorenem Wasser
- - Vermeidung von Folgeschäden im gesamten Brennstoffzellensystem durch fehlgeschlagenen oder mangelhaften Gefrierstart, z. B. Stackdegradation, Stackbeschädigung, usw.
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Die Erfindung erkennt, dass Wasser durch Luftströmung/Konvektion von trockener und ggf. etwas aufgewärmter Luft - vor dem Einfrieren - abtransportiert werden kann.
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Die Erfindung erkennt, dass durch Bewegen von Aktoren während dem Einfrieren von Wasser eine Blockade der Aktoren durch zu starke Eisbildung vermieden werden kann.
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Die Einleitung der Maßnahmen nahe dem Gefrierpunkt hat den Vorteil, dass es darunter keine erneute Kondensation in wesentlichen Mengen mehr geben kann.
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Das System 100 kann hinsichtlich Temperaturen T - vorzugsweise im Kathodensystem 10 und deren Aktoren/Sensoren - überwacht werden. Beispielhafte Position für die Temperatursensoren s sind in der 1 angedeutet.
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Die Überwachung hinsichtlich Temperaturen T kann zeitweise (mit adaptierbaren Abständen, je nach vorliegenden Randbedingungen und/oder thermischen Massen) oder auch kontinuierlich erfolgen.
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Die Überwachung hinsichtlich Temperaturen T kann erfolgen bspw. durch:
- - vorhandene Sensoren s im Kathodensystem 10 (vgl. 1).
- - Ermittlung der Temperaturen, z. B. über E-Maschine und/oder Leistungselektronik in einem motorisch angetriebenen Verdichter,
- - modellbasiert,
- - externe Sensoren,
- - Wetterdienste usw.
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Dabei kann bspw. geprüft werden, ob sich die entsprechenden Temperaturen T nahe oder etwas über dem Gefrierpunkt für Wasser 4 °C, 2°C, 0°C o. Ä. befinden und ob eine fallende Flanke der Temperatur vorliegt (Tcomp < Tlim1 und dT/dt <0).
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Eine steigende Flanke (dT/dt > 0) löst vorzugsweise keinen Trigger des Verfahrens aus.
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Fallen die relevanten Temperaturen T unter eine applizierbare Schwelle (bspw. erste Temperaturschwelle tlim1 aus der 2) und insbesondere der Temperaturgradient dT/dt < 0 ist negativ, dann wird im Schritt 102 eine Gefrierschutzmaßnahme-Anforderung an das Kathodensystem 10 bestimmt und die nächsten Schritte 103 ff. werden getriggert.
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Wenn nicht, dann erfolgt eine weitere Temperaturüberwachung im Schritt 101 statt.
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Ferner ist es denkbar, dass beim Bestimmen einer Gefrierschutzmaßnahme-Anforderung mindestens eine zweite Temperaturschwelle tlim2, insbesondere in Höhe von 0°C, -1°C, -2 °C oder -4°C, verwendet wird, wobei das Verfahren ausgesetzt wird, wenn die zweite Temperaturschwelle Tlim2 unterschritten wird. Bei zu tiefen Temperaturen können Gefrierschutzmaßnahmen keine Wirkung zeigen. In diesem Falle kann das Verfahren in die Überwachungsphase zurückkehren.
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Betätigung/Aktivierung der Aktoren kann bspw. vorsehen:
- Ein Verdichter V1.1, V1.2 kann gestartet und auf einen adäquaten Betriebspunkt (Teillast oder Leerlauf, möglichst nicht Vollast) gebracht werden. Die Absperrventile SV1, SV2 am Stackeingang und am Stackausgang sind und bleiben zu. Das Kathodensystem 10 kann über ein offenes oder teiloffenes Bypassventil ByCath betrieben werden (sog. Bypass-Betriebsmodus). Der Luftmassenstrom kann somit die Komponenten im Kathodensystem 10 trocknen und das auskondensierte Wasser abführen:
- - aus der Zuluftleitung 11,
- - aus der Bypassleitung 13,
- - einer Abluftleitung 12 und
- - von Aktor- als auch Sensor-Oberflächen.
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Durch Betriebspunktänderung (Drehzahl und/oder Androsselung durch Ventile, z. B. Bypassventil ByCath) kann Druck, Massenstrom und Temperatur T verändert werden und die Bedingungen so eingestellt werden, dass die Gefrierschutzmaßnahmen auf eine verbesserte Weise erfolgen.
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Hinsichtlich einer Turbine TB können bspw. zwei Varianten vorgesehen werden:
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V1: Drehzahl (Turbine) =0 (bzw. gewollter Ruhezustand der Turbine)
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In dieser Variante kann der Turbinenbypass ByT geöffnet oder so teilgeöffnet bleiben, sodass die Turbinen-Welle W2 sich nicht beginnt zu drehen. Der Luftstrom kann sich auf Turbine TB und Turbinenbypass ByT verteilen und in beiden Pfaden entfeuchten.
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V2: Drehzahl (Turbine) > 0 (bzw. gewolltes Starten der Turbine)
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In dieser Variante kann der Turbinenbypass ByT geschlossen (komplett oder nahezu) bleiben, sodass die Turbinen-Welle w2 sich beginnt zu drehen und auf zumindest eine Leerlaufdrehzahl bzw. minimale Drehzahl gebracht wird.
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Wie es die Schritte 106, 107 zeigen, kann das Verfahren eine lernende Adaption vorsehen, bspw. abhängig von der Historie T(t) der Maßnahmen an den Aktoren. Bspw., wenn die Maßnahme V1 in Vergangenheit ausgereicht hat, um einen späteren nachfolgenden Start des Systems 100 ordnungsgemäß zu realisieren, wird die Maßnahme V1 weiter angewandt. Wenn nicht, dann kann die Maßnahme V2 angewandt werden.
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Die Ventile/Drosselklappen können vorteilhafterweise parallel zu dem Verdichter/Turbine oder stattdessen angesteuert werden, um die korrespondierenden Klappen freizukriegen.
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Wird das Verfahren ohne Start der Luftförderung durchgeführt, dann können die verbleibenden Aktoren zeitweise angesteuert und damit bewegt werden. Dadurch wird vermieden, dass einfrierendes Wasser eine zu dicke Eisschicht an den Aktoren verursacht. Es wird sichergestellt, dass die Aktoren bei Wiederstart des Systems nicht blockiert sind.
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Vorteilhafterweise kann das Verfahren vorsehen, dass zum Betreiben von mindestens einem oder mehreren Aktoren im Kathodensystem ein intermittierender, stetiger oder konstanter Betrieb, insbesondere ein Teillastbetrieb oder Leerlauf, durchgeführt wird.
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Der Trigger für die Beendigung der Maßnahmen im Schritt 105 kann bspw. sein:
- - eine gewisse Zeit ist abgelaufen,
- - eine bestimmte Luftmasse/Luftmenge ist umgesetzt worden,
eine bestimmte Wegstrecke des jeweiligen Aktors ist erreicht,
eine bestimmte Anzahl von Aktorbewegungen ist erreicht,
- - bestimmte Bedingungen z. B. Temperaturbedingungen sind erreicht,
- - bestimmte differentielle Bedingungen sind erreicht, bspw. Temperaturdifferenz zwischen Start und Ende der Maßnahme ist erreicht,
- - bestimmter steigender Temperaturgradient ist erreicht, usw.
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Nach einer Beendigung eines Durchlaufs des Verfahrens im Schritt 105 kann eine Rückkehr zur Temperaturüberwachung im Schritt 101 vorgesehen werden.
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Sind die relevanten Temperaturen T weiterhin nahe dem Gefrierpunkt können die oben genannten Verfahrensschritte 102 bis 104 erneut angetriggert werden (auch ohne wesentlich fallende Flanke).
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Jedoch kann hier zusätzlich das Kriterium Anzahl der Durchläufe kleiner als eine vorgesehene maximale Anzahl Nmax sein (z. B. 2 oder 3).
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Ist der Temperaturgradient dT/dt > 0 nach einer Beendigung eines Durchlaufs des Verfahrens im Schritt 105 positiv, so braucht das Verfahren nicht mehr angetriggert werden.
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Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
