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HINTERGRUND
DES ERFINDUNG
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Bereichs der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern/Regeln
der Fließgeschwindigkeit
eines Oxidationsmittels in einem Brennstoffzellensystem.
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Priorität wird auf
die am 27. November 2002 eingereichte japanische Patentanmeldung
Nr. 2002-344034 beansprucht.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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Bei
Brennstoffzellen, die in einem mit Brennstoffzellen betriebenen
Fahrzeug oder dergleichen eingebaut sind, ist ein Typ von Brennstoffzellen
bekannt, bei dem eine feste Polymer-Elektrolytmembran und Anoden-
und Kathodenelektroden, die gemeinsam die feste Polymer-Elektrolytmembran
von beiden Seiten plattieren, vorgesehen sind, und bei dem ein brennbares
Gas (z.B. Wasserstoffgas) an die Anodenelektrode und ein oxidierendes
Gas (z.B. Sauerstoff oder Luft) der Kathodenelektrode zugeführt wird,
damit elektrische Energie durch eine Oxidations-Reduktions-Reaktion des brennbaren und oxidierenden
Gases erzeugt wird.
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Ein
Brennstoffzellensystem, welches den oben genannten Brennstoffzellen-Typ
enthält,
ist in der japanischen ungeprüften
Patentanmeldung, erste Veröffentlichung
Nr. Hei 07-249421 offengelegt, worin der Druckunterschied zwischen
dem Anodenbereich und dem Kathodenbereich der Brennstoffzelle steuer-/regelbar
ausgelegt ist, in Abhängigkeit
von der Fließgeschwindigkeit
des Gases, das an die Kathodenelektrode geliert wird, und von der
elektrischen Ausgangsleistung.
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Wenn
Luft, während
eines Übergangszustands,
in dem sich Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems ändern, unter
Bedingungen hoher Fließgeschwindigkeit
und niedrigen Drucks oder unter Bedingungen niedriger Fließgeschwindigkeit
und hohen Drucks zugeführt
werden muss, wird in solch einem Brennstoffzellensystem eine übermäßige Last auf
dem Luftkompressor des Brennstoffzellensystems ausgeübt, und
die Elektrolytmembran wird stark beansprucht, da der Druckunterschied
nicht gesteuert/geregelt werden kann, was in Hinblick auf Aufrechterhaltung
von Zuverlässigkeit
nicht bevorzugt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es mit Blick auf die oben genannten
Umstände
ein Verfahren zum Steuern/Regeln der Fließgeschwindigkeit eines Oxidationsmittel
in einem Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, durch das
Zuverlässigkeit
der Brennstoffzelle aufrechterhalten werden kann, selbst wenn das
Brennstoffzellensystem in einen Übergangszustand
versetzt ist, in dem sich Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems ändern.
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Um
das oben genannten Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung
ein Verfahren zum Steuern/Regeln der Fließgeschwindigkeit eines Oxidationsmittels
in einem Brennstoffzellensystem zur Verfügung, das einen Brennstoffzellenstapel
aufweist, der Energie erzeugt, indem er mit Brennstoff und dem Oxidationsmittel
versorgt wird, einen Kompressor zum Zuführen des Oxidationsmittel an
den Brennstoffzellenstapel, ein Gegendruckventil zum Steuern/Regeln
des Drucks des Oxidationsmittels, das in einem Fließdurchgang
für das
Oxidationsmittel in Fließrichtung
hinter dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, und eine Steuer/Regelvorrichtung zum
Steuern/Regeln des Brennstoffzellenstapels, des Kompressors und
des Gegendruckventils, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Berechnen
eines Oxidationsmitteldruck-Befehls und eines Oxidationsmittelfließgeschwindigkeits-Befehls basierend
auf einem gegebenen elektrischen Strom-Befehl unter Verwendung der
Steuer-/Regelvorrichtung; Vergleichen einer ersten Fließgeschwindigkeit,
die als eine dem Oxidationsmitteldruck-Befehl entsprechende obere
Grenze der Oxidationsmittelfließgeschwindigkeit
definiert ist, und einer zweiten Fließgeschwindigkeit, die als eine
dem Oxidationsmitteldruck-Befehl entsprechende untere Grenze der Oxidationsmittelfließgeschwindigkeit
definiert ist, mit dem Oxidationsmittelfließgeschwindigkeits-Befehl; und
Regeln des Oxidationsmittelfließgeschwindigkeits-Befehls
derart, dass er auf einen Bereichs innerhalb der zweiten Fließgeschwindigkeit
und der ersten Fließgeschwindigkeit
begrenzt ist.
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Entsprechend
dem oben genannten Verfahren zum Steuern/Regeln der Fließgeschwindigkeit
eines Oxidationsmittels in einem Brennstoffzellensystem, ist die Fließgeschwindigkeit
des Oxidationsmittels auf den Bereich innerhalb der ersten Fließgeschwindigkeit
und der zweiten Fließgeschwindigkeit begrenzt,
d.h. innerhalb eines Bereichs, der leicht durch den Kompressor des
Brennstoffzellensystems erreichbar ist, selbst wenn sich der Betriebszustand des
Brennstoffzellensystems ändert
und Druck- und Fließgeschwindigkeitsanforderungen
des an den Brennstoffzellenstapel zuzuführenden Oxidationsmittels geändert sind;
folglich arbeitet der Kompressor unter günstigen Bedingungen und seine
Funktion wird aufrechterhalten. Da der Druckunterschied zwischen
dem Anodenbereich und dem Kathodenbereich der Brennstoffzelleneinheit
derart gesteuert/geregelt werden kann, dass er innerhalb eines geeigneten
Bereichs begrenzt ist, kann außerdem
die Elektrolytmembran der Brennstoffzelleneinheit vorzugsweise geschützt werden,
und die Zuverlässigkeit
des Brennstoffzellenstapels kann verbessert werden.
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Im
oben genannten Schritt des Steuerns/Regelns des Oxidationsmittelfließgeschwindigkeits-Befehls,
kann der Oxidationsmittelfließgeschwindigkeits-Befehl
auf die erste Fließgeschwindigkeit
korrigiert werden, wenn der Oxidationsmittelfließgeschwindigkeits-Befehl größer als
die erste Fließgeschwindigkeit
ist, und der Oxidationsmittelfließgeschwindigkeits-Befehl kann
auf die zweite Fließgeschwindigkeit
korrigiert werden, wenn der Oxidationsmittelfließgeschwindigkeits-Befehl kleiner
ist als die zweite Fließgeschwindigkeit.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Darstellung, welche den Aufbau einer Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems
entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist
ein Flussdiagramm, das einen Luftfließgeschwindigkeits-Steuer-/Regelvorgang
für das Brennstoffsystem
in 1 zeigt.
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3 ist
ein Diagramm, welches das Verhältnis
zwischen Luftdruck und Luftfließgeschwindigkeit
zeigt.
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4 ist
ein basierend auf Tabelle 1 gezeichnetes Diagramm, welches das Verhältnis zwischen
oberer Grenze der Luftfließgeschwindigkeit und
einem Luftdruck-Befehl definiert, der im Flussdiagramm von 2 referenziert
ist.
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5 ist
ein basierend auf Tabelle 2 gezeichnetes Diagramm, welches das Verhältnis zwischen
unterer Grenze der Luftfließgeschwindigkeit und
einem Luftdruck-Befehl definiert, der im Flussdiagramm von 2 referenziert
ist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems entsprechend der vorliegenden Erfindung
wird unter Bezug auf 1 erklärt.
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1 ist
eine schematische Darstellung, welche den Aufbau der Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems entsprechend der vorliegenden Erfindung
zeigt.
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Ein
Brennstoffzellenstapel 1 umfasst einen Stapelkörper, der
durch Stapeln von Brennstoffzelleneinheiten gebildet ist, von denen
jede eine feste Polymer-Elektrolytmembran,
wie beispielsweise eine feste Polymer-Ionenaustauschmembran, umfasst und
eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, die gemeinsam die
feste Polymermembran von beiden Seiten plattieren.
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Ein
Hochdruck-Wasserstoffzufuhrsystem 2 ist über einen
Wasserstoffgaszufuhr-Fließdurchgang 12 an
den Brennstoffzellenstapel angeschlossen. Das Hochdruck-Wasserstoffzufuhrsystem 2 umfasst eine
Wasserstoffzufuhr-Quelle, wie beispielsweise einen Wasserstofftank,
von der ein Wasserstoffgas über
den Wasserstoffgaszufuhr-Fließdurchgang 12 der
Anodenelektrode des Brennstoffzellenstapels 1 zugeführt wird.
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Ein
Luftkompressor 3 ist an den Brennstoffzellenstapel 1 über einen
Luftzufuhr-Fließdurchgang 13 angeschlossen.
Der Luftkompressors 3 führt über den
Luftzufuhr-Fließdurchgang 13 Luft
(d.h. ein oxidierendes Gas) der Kathodenelektrode des Brennstoffzellenstapels 1 zu.
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Wenn
ein Wasserstoffgas als Brennstoff dem Anodenbereich zugeführt wird
und Luft (Luft, die Sauerstoff enthält) als ein Oxidationsmittel
dem Kathodenbereich zugeführt
wird, werden durch eine katalytische Reaktion im Brennstoffzellenstapel 1 im
Anodenbereich Wasserstoff-Ionen produziert und die Wasserstoff-Ionen
bewegen sich zum Kathodenbereich, in dem eine elektrochemische Reaktion
mit Sauerstoff stattfindet, wobei Wasser gebildet wird.
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Die
Luft, die zur Energieerzeugung verwendet worden ist, wird als ein
Luftabgas vom Kathodenbereich des Brennstoffzellenstapels 1 in
einen Abluft-Fließdurchgang 16 abgeführt, der
in Fließrichtung
hinter dem Brennstoffzellenstapel 1 angeordnet ist. Der
Abluft-Fließdurchgang 16 ist
mit einem Gegendruckventil 11 versehen, das den Luftdruck
im Brennstoffzellenstapel 1 steuert/regelt.
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Ein
Wasserstoffgas, das zur Energieerzeugung dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wurde, aber
darin nicht reagiert hat, wird als Wasserstoffabgas vom Anodenbereich
des Brennstoffzellenstapels 1 in einen Wasserstoffabgas-Zirkulationsdurchgang (nicht
gezeigt) abgeführt
und wird wieder dem Anodenbereich des Brennstoffzellenstapels 1 zugeführt.
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Ein
Kühlsystem 4 ist
mit dem Brennstoffzellenstapel 1 über einen Kühlwasser-Fließdurchgang 15 verbunden.
Das Kühlsystem 4 umfasst
eine Pumpe (nicht gezeigt), um Kühlwasser
als Kühlmittel
zirkulieren zu lassen, und versorgt die Bereiche zwischen den Brennstoffzelleneinheiten
des Brennstoffzellenstapels 1 über den Kühlwasser-Fließdurchgang 15 mit
Kühlwasser.
Indem wie oben beschrieben Kühlwasser
durch den Brennstoffzellenstapel 1 zirkuliert, wird eine
Zunahme der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 aufgrund
der Wärmeentwicklung
während
der Energieerzeugung unterbunden, und der Brennstoffzellenstapel 1 kann
unter passenden Temperatur-Bedingungen betrieben werden.
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Der
Wasserstoffgaszufuhr-Fließdurchgang 12 ist
mit einem Absperrventil 10 und einem Drucksteuer-/regelventil 5 versehen.
Die Fließgeschwindigkeit
des Wasserstoffgases wird durch Steuern/Regeln des Absperrventils 10 geregelt.
Das Drucksteuer-/regelventil 5, das mit einem vom Luftzufuhr-Fließdurchgang 13 abzweigenden
Signaldruck-Fließdurchgang 14 verbunden
ist, steuert/regelt den Druck des Wasserstoffgases, das dem Anodenbereich
zugeführt
wird derart, dass der Druckunterschied zwischen dem Wasserstoffgas
und der Luft, die dem Kathodenbereich zugeführt wird, innerhalb eines passenden
Bereichs begrenzt ist.
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Der
Luftzufuhr-Fließdurchgang 13 ist
mit einem Fließgeschwindigkeits-Sensor 8 zum
Messen der Fließgeschwindigkeit
der Luft und mit einem Druck-Sensor 9 zum Messen des Drucks
der Luft ausgestattet.
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Ein
Verbraucher 6 ist über
elektrische Leitungen 17 an den Brennstoffzellenstapel 1 angeschlossen,
sodass die im Brennstoffzellenstapel 1 erzeugte elektrische
Energie dem Verbraucher 6 zugeführt wird.
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Das
Brennstoffzellensystem entsprechend der vorliegenden Ausführungsform
umfasst eine Steuer-/Regelvorrichtung (eine ECU (elektrische Steuer-/Regeleinheit)) 7.
Die ECU 7 steuert/regelt den Luftkompressor 3,
das Kühlsystem 4,
den Verbraucher 6, das Absperrventil 10 und das
Gegendruckventil 11 in Abhängigkeit von gemessenen Werten
der Sensoren 8 und 9 (d.h. von der Fließgeschwindigkeit
QA und dem Druck PA), vom Zustand des Verbrauchers 6, von
einem Öffnungsgrad
AP des Gaspedals, usw..
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Zunächst wird
unten der Luftfließgeschwindigkeitssteuer-/regelvorgang
für das
Brennstoffsystem, das wie oben beschrieben konfiguriert ist, unter Bezug
auf 2 erklärt.
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2 ist
ein Flussdiagramm, das den Steuer-/Regelvorgang für das in 1 darstellte
Brennstoffsystem zeigt. In Schritt S12 werden ein Luftdruck-Befehl
und ein Luftfließgeschwindigkeits-Befehl
für die
dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführte Luft basierend auf einem
elektrischen Strom-Befehl berechnet, der abhängig vom Öffnungsgrad AP des Gaspedals
und des Zustandes des Verbrauchers 6 bestimmt wird. Der
elektrische Strom-Befehl wird in Übereinstimmung mit momentan im
Fahrzeug benötigter
elektrischer Energie bestimmt. In Schritt S14 wird eine obere Grenze
der Luftfließgeschwindigkeit, die
dem Luftdruck-Befehl entspricht, aus Tabelle 1 abgerufen (siehe 4).
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In
Schritt S16 wird bestimmt, ob der Luftfließgeschwindigkeits-Befehl größer ist
als die obere Grenze der Luftfließgeschwindigkeit. Wenn das
Resultat der Ermittlung "JA" ist, geht der Vorgang
bei Schritt S18 weiter, bei dem der Luftfließgeschwindigkeits-Befehl auf
die oberen Grenze der Luftfließgeschwindigkeit
korrigiert wird, und der Ablauf der Vorgänge wird beendet. Genauer gesagt,
wenn, wie in 4 gezeigt, der Fließgeschwindigkeits-Befehl QREQ1
größer ist
als die obere Grenze der Luftfließgeschwindigkeit QH, die dem
Luftdruck-Befehl entspricht, wird der Fließgeschwindigkeits-Befehl QREQ1
zur oberen Grenze der Luftfließgeschwindigkeit
QH korrigiert.
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3 ist
ein Diagramm, welches das Verhältnis
zwischen Luftdruck und Luftfließgeschwindigkeit
zeigt. In 3 ist ein Bereich A ein Bereich,
in dem die Kombinationen des Luftdrucks und der Luftfließgeschwindigkeit
durch den Luftkompressor 3 in der Praxis erreichbar sind,
ein Bereich B ist ein Bereich mit hoher Fließgeschwindigkeit und niedrigem Druck,
und ein Bereich C ist ein Bereich mit kleiner Fließgeschwindigkeit
und hohem Druck.
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Der
oben genannte Fall, in dem der Fließgeschwindigkeits-Befehl größer ist
als die obere Grenze der Luftfließgeschwindigkeit entspricht
dem Bereich B mit hoher Fließgeschwindigkeit
und niedrigem Druck. Wenn der Luftkompressor 3 verwendet würde, um
die Kombinationen im Bereich B zu erzielen, würde eine übermäßige Last darauf wirken, weil der
Druck im Brennstoffzellensystem wegen Druckverlust im System erhöht wird,
selbst wenn das Gegendruckventil 11 vollständig geöffnet ist.
In dieser Ausführungsform
wird der Luftkompressor 3 daran gehindert eine übermäßige Last
aufzuweisen, indem, wie oben erklärt, der Fließgeschwindigkeits-Befehl zur
oberen Grenze der Luftfließgeschwindigkeit
korrigiert wird.
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Wenn
das Resultat der Ermittlung im Schritt S16 "NEIN" ist,
fährt der
Vorgang bei Schritt S20 fort, bei dem eine untere Grenze der Luftfließgeschwindigkeit,
die dem Luftdruck-Befehl entspricht, aus Tabelle 2 ausgelesen wird
(siehe 5). In Schritt S22 wird festgestellt, ob der Luftfließgeschwindigkeits-Befehl
kleiner ist als die untere Grenze der Luftfließgeschwindigkeit. Wenn das
Resultat der Ermittlung "JA" ist, fährt der
Vorgang bei Schritt S24 fort. Demgegenüber wird der Ablauf der Vorgänge beendet,
wenn das Resultat der Ermittlung "NEIN" ist.
Genauer gesagt, wenn, wie in 5 gezeigt,
der Fließgeschwindigkeits-Befehl
QREQ2 kleiner ist als die untere Grenze der Luftfließgeschwindigkeit
QL, die dem Luftdruckbefehl entspricht, wird der Fließgeschwindigkeits-Befehl
QREQ2 zur unteren Grenze der Luftfließgeschwindigkeit QL korrigiert.
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Der
oben genannte Fall, in dem der Fließgeschwindigkeits-Befehl kleiner
ist als die untere Grenze der Luftfließgeschwindigkeit, entspricht
dem Bereich C mit kleiner Fließgeschwindigkeit
und hohem Druck. Wenn der Luftkompressor 3 verwendet würde, um
die Kombinationen in der Zone C zu erzielen, würde eine übermäßige Last darauf wirken, weil
der Druck im Brennstoffzellensystem wegen Leckage vom Gegendruckventil 11 erniedrigt
wird, selbst wenn das Gegendruckventil 11 vollständig geschlossen
ist. In dieser Ausführungsform
wird der Luftkompressor 3 daran gehindert, eine übermäßige Last
aufzuweisen, indem, wie oben erklärt, der Fließgeschwindigkeits-Befehl
zur unteren Grenze der Luftfließgeschwindigkeit
korrigiert wird. Da der Druckunterschied zwischen dem Anodenbereich
und dem Kathodenbereich der Brennstoffzelleneinheit derart gesteuert/geregelt
werden kann, dass er innerhalb eines passenden Bereichs begrenzt
ist, kann außerdem
die Elektrolytmembran von jeder Brennstoffzelleneinheit wünschenswerterweise
geschützt
werden.
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Obwohl
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung oben beschrieben und veranschaulicht worden sind,
sollte es selbstverständlich
sein, dass diese für
die Erfindung beispielhaft sind und nicht als begrenzend anzusehen
sind. Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem der vorliegenden
Ausführungsform,
zusätzlich
zum mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeug, für ein mit Brennstoffzellen betriebenes
Motorrad oder einen mit Brennstoffzellen betriebenen Roboter verwendet
werden. Außerdem kann
das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Ausführungsform ein stationärer oder
ein transportabler Typ sein.
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Hinzufügungen,
Auslassungen, Ersatz und andere Änderungen
können
gemacht werden, ohne vom Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung
abzuweichen. Dementsprechend ist die Erfindung nicht als durch die
vorangehende Beschreibung begrenzt zu betrachten und wird nur durch
den Bereich der angefügten
Ansprüche
begrenzt.
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Ein
Verfahren zum Steuern/Regeln der Fließgeschwindigkeit eines Oxidationsmittels
in einem Brennstoffzellensystem, das einem Brennstoffzellenstapel
(1) aufweist, dem Brennstoff und das Oxidationsmittel zugeführt wird,
einen Kompressors (3) zum Zuführen des Oxidationsmittels
an den Brennstoffzellenstapel (1), ein Gegendruckventil
(11) zum Steuern/Regeln des Drucks des Oxidationsmittels
und eine Steuer-/Regelvorrichtung (7) zum Steuern/Regeln
des Brennstoffzellenstapels (1), des Kompressors (3)
und des Gegendruckventils (11). Das Verfahren umfasst die
Schritte zur Berechnung eines Oxidationsmitteldruck-Befehls und
eines Oxidationsmittelfließgeschwindigkeits-Befehls
basierend auf einem gegebenen elektrischen Strom-Befehl, indem es
eine erste Fließgeschwindigkeit
(QH), die als eine obere Grenze der Oxidationsmittelfließgeschwindigkeit
definiert ist, und eine zweite Fließgeschwindigkeit (QL), die
als eine untere Grenze der Oxidationsmittelfließgeschwindigkeit definiert
ist, mit dem Oxidationsmittelfließgeschwindigkeits-Befehl vergleicht,
und den Oxidationsmittelfließgeschwindigkeits-Befehl
derart reguliert, dass er innerhalb eines Bereichs von der zweiten
Fließgeschwindigkeit zur
ersten Fließgeschwindigkeit
begrenzt ist.