DE102007015737A1

DE102007015737A1 - Brennstoffzellenspannungseinheit zur Detektion einer ausgefallenen Plattenverbindung

Info

Publication number: DE102007015737A1
Application number: DE102007015737A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Stengelin; Bernhard Baaser
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2007-04-02
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2027-04-03
Also published as: DE102007015737B4; US8372553B2; US20070231642A1

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem weist ein Zellenspannungsüberwachungssubsystem auf, das die Zellenspannung jeder Zelle in einem Brennstoffzellenstapel misst und eine Angabe einer schlecht arbeitenden oder ausgefallenen Zelle vorsieht. Das Brennstoffzellensystem verwendet das Zellenspannungsüberwachungssubsystem, um zu bestimmen, ob einer der Drähte, der mit einer Bipolarplatte in dem Stapel verbunden ist, gebrochen oder anderweitig ausgefallen ist. Das Zellenspannungsüberwachungssubsystem verwendet Differenzverstärker, um die Spannung der positiven Seite und die Spannung der negativen Seite einer Zelle zu vergleichen, um zu bestimmen, ob die Zellenspannung niedrig ist oder die Zelle ausfällt. Durch Betrachtung der Ausgänge von zwei Differenzverstärkern in dem Zellenspannungsüberwachungssubsystem kann bestimmt werden, ob benachbarte Zellen eine Angabe eines Ausfalls beider Zellen vorsehen, was angeben würde, dass ein Verbindungsdraht ausgefallen ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffzellensystem, das einen Algorithmus aufweist, um zu bestimmen, ob eine Plattenverbindung ausgefallen ist, und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das ein Zellenspannungsüberwachungssubsystem verwendet, das typischerweise dazu verwendet wird, um zu bestimmen, ob eine Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel ausfällt, um zu bestimmen, ob ein Verbindungsdraht zur Messung des Spannungspotentials einer Brennstoffzelle ausgefallen ist.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt) auf, die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung ist auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, die durch einen Kompressor über den Stapel getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von Bipolarplatten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind. Die Bipolarplatten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. Auf der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Auf der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Die Bipolarplatten bestehen aus einem elektrisch leitenden Material, wie rostfreiem Stahl, so dass sie die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel herausleiten. Die Bipolarplatten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
Typischerweise wird der Spannungsausgang jeder Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel überwacht, um ihre Ausgangsspannung zu bestimmen, so dass das System Kenntnis erlangt, wenn eine Brennstoffzellenspannung zu gering ist, was einen möglichen Ausfall angibt. In der Technik sei zu verstehen, dass, da alle Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, wenn eine Brennstoffzelle in dem Stapel ausfällt, dann der gesamte Stapel ausfällt. Es können bestimmte Abhilfeaktionen für eine ausfallende Brennstoffzelle als eine temporäre Lösung unternommen werden, bis das Fahrzeug gewartet werden kann, wie ein Erhöhen der Wasserstoffströmung und/oder eine Erhöhung der Kathodenstöchiometrie.
Die Brennstoffzellenspannungen werden durch ein Zellenspannungsüberwachungssubsystem gemessen, das einen Draht aufweist, der mit jeder Bipolarplatte in dem Stapel und Endplatten des Stapels verbunden ist, um ein Spannungspotential zwischen den positiven und negativen Seiten jeder Zelle zu messen. Daher weist ein Stapel mit 400 Zellen 401 mit dem Stapel verbundene Drähte auf.
1 ist eine Draufsicht eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 und ein Zellenspannungsüberwachungssubsystem 14 aufweist. Der Brennstoffzellenstapel 12 weist Anschlüsse 16 und 18 an jedem Ende des Stapels 12 auf, die Verbindungsstellen für die elektrische Leistung von dem Stapel 12 vorsehen. Der Brennstoffzellenstapel 12 weist auch eine Serie von Brennstoffzellen 20 auf, die durch MEAs 22 definiert sind, die zwischen Bipolarplatten 24 positioniert sind. Die Bipolarplatten 24 weisen Strömungskanäle für die Kathodenseite einer Brennstoffzelle 20 und die Anodenseite einer benachbarten Brennstoffzelle 20 auf, wie oben beschrieben ist.
Das Zellenspannungsüberwachungssubsystem 14 weist elektrische Drähte 28 auf, wobei mit jeder Bipolarplatte 24 ein separater Draht 28 elektrisch verschaltet ist. Die elektrischen Drähte 28 für die Bipolarplatten 24 auf entgegengesetzten Seiten einer MEA 22 sind mit den positiven und negativen Eingangsanschlüssen eines Differenzverstärkers 30 verschaltet. Die Spannung der Zellen 20 wird dadurch gemessen, dass die negative Plattenspannung der Zellen in dem Verstärker 30 von der positiven Plattenspannung der Zellen subtrahiert wird, wobei eine Ausgangsspannung V_N die Spannung jeder Zelle 20 angibt. Es existieren viele Techniken, die in der Technik bekannt sind, um diese Messung vorzusehen, beispielsweise ein analoges Multiplexing.
Da so viele Drähte 28 mit dem Stapel 12 verschaltet sind, ist die Gefahr, dass einer der Drähte 24 bricht oder von der Bipolarplatte 24 getrennt wird, ein reales Problem. Wenn einer der Drähte 28 oder eine der Plattenverbindungen ausfällt, dann sieht der Ausgang des bekannten Zellenüberwachungssubsystems eine Angabe einer ausgefallenen Zelle vor. Es wäre jedoch erwünscht, zwischen einer Niedrigspannungszelle und einer ausgefallenen Plattenverbindung zu unterscheiden, da das Brennstoffzellensystem 10 mit einer ausgefallenen Plattenverbindung immer noch arbeitet und anschließend geeignet repariert werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das ein Zellenspannungsüberwachungssubsystem aufweist, das die Zellenspannung jeder Zelle in einem Brennstoffzellenstapel misst und eine Angabe einer schlecht arbeitenden oder ausgefallenen Zelle vorsieht. Das Brennstoffzellensystem verwendet das Zellenspannungsüberwachungssubsystem, um zu bestimmen, ob einer der Drähte, der mit einer Bipolarplatte in dem Stapel verbunden ist, gebrochen ist oder die Plattenverbindung anderweitig ausgefallen ist.
Bei einer Ausführungsform verwendet das Zellenspannungsüberwachungssubsystem Differenzverstärker, um die Spannung der positiven Seite und die Spannung der negativen Seite einer Zelle zu vergleichen und damit zu bestimmen, ob die Zellenspannung niedrig ist oder die Zelle ausfällt. Da jede Bipolarplatte in einem Stapel eine positive Seite einer Brennstoffzelle und eine negative Seite einer benachbarten Brennstoffzelle darstellt, besitzt ein ausgefallener Draht einen Spannungseffekt auf beide Zellen, nicht nur auf eine der Zellen. Durch Betrachtung der Ausgänge von zwei Differenzverstärkern in dem Zellenspannungsüberwachungssubsystem kann bestimmt werden, ob benachbarte Zellen eine Angabe darüber vorsehen, dass beide Zellen ausfallen, was angeben würde, dass ein Verbindungsdraht ausgefallen ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform weist das Zellenspannungsüberwachungssubsystem zwei Multiplexer und einen einzelnen Differenzver stärker auf. Die Multiplexer sind so geschaltet, dass die Ausgänge von zwei benachbarten Platten an den Eingang des Differenzverstärkers geliefert werden, um eine Spannungsablesung für eine Brennstoffzelle vorzusehen. Das Zellenspannungsüberwachungssubsystem weist eine Entladevorrichtung auf, die eine Kapazität in dem Differenzverstärker zwischen jeder Spannungsmessung dissipiert, so dass eine genaue Spannungsablesung von der Platte genommen wird, wenn eine Plattenverbindung ausfällt.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht eines Brennstoffzellensystems, das ein Zellenspannungsüberwachungssubsystem aufweist;
2 ist eine Draufsicht des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems, das Leckageimpedanzen aufweist;
3 ist ein Diagramm mit der Spannung an der vertikalen Achse und der Zellenanzahl an der horizontalen Achse, das die Differenz zwischen einer schlecht arbeitenden Zelle und einer ausgefallenen Plattenverbindung zeigt;
4 ist ein Flussschaubild, das einen Prozess zur Detektion einer ausgefallenen Plattenverbindung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ist eine Draufsicht eines Teils eines Brennstoffzellenstapels, die Spannungsmesser zum Messen von Brennstoffzellenspannungspotentialen zeigt;
6 ist eine Draufsicht einer Zellenspannungseinheit zum Messen der Spannungspotentiale von einigen Zellen in einem Brennstoffzellenstapel;
7 ist eine Draufsicht der in 6 gezeigten Zellenspannungseinheit, die eine Entladevorrichtung zum Dissipieren eines Kondensators in dem Differenzverstärker aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
8A und 8B sind schematische Schaubilder einer Zellenspannungseinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren gerichtet ist, um zu bestimmen, ob eine elektrische Verbindung zu einer Bipolarplatte in einem Brennstoffzellenstapel ausgefallen ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Wie oben beschrieben ist, sehen die Ausgänge der Differenzverstärker 30 eine Spannung V_N vor, die die Spannung einer bestimmten Brennstoffzelle 20 angibt. Diese Spannung ist es, die überwacht wird, um zu identifizieren, welche Brennstoffzelle 20 eine niedrige Spannung haben kann und möglicherweise ausfällt. Jedoch ist, wie es offensichtlich ist, jeder Draht 28, der mit den Bipolarplatten 24 verbunden ist, auch mit dem positiven Anschluss eines Differenzverstärkers 30 und einem negativen Anschluss eines benachbarten Differenzverstärkers 30 verbunden. Wenn daher ein bestimmter Draht 28 gebrochen ist, locker wird oder anderweitig ausfällt, tritt eine Spannungsänderung an dem Ausgang von zwei der Differenzverstärker 30 anstatt von nur einem der Differenzverstärker 30 für eine ausfallende Zelle 20 auf.
2 ist eine andere Draufsicht des Brennstoffzellensystems 10, die repräsentative Impedanzen in den Drähten 28 und den Differenzverstärkern 30 aufweist, um dieses Prinzip besser darzustellen. Insbesondere weist jeder der Drähte 28 eine Verbindungsimpedanz 36 auf, und jeder der Differenzverstärker 30 weist Leckageimpedanzen 38 und 40 an seinen nicht invertierenden und invertierenden Eingängen auf. Die Leitung 42 ist eine Masseleitung. Die Verbindungsimpedanz 36 ist gewöhnlich relativ klein, wenn der Draht 28 richtig verbunden ist. Wenn ein Draht 28 bricht, wird die Verbindungsimpedanz 36 hoch, die in Spannungsteilerbeziehung mit der Leckageimpedanz 38 oder 40 steht. Wenn die Leckageimpedanzen 38 und 40 im Vergleich zu der Verbindungsimpedanz 36 groß sind, fällt die Spannung an dem Eingang der Differenzverstärker 30 nahe zu Masse, wodurch ein charakteristisches Spannungssignal für beide der Zellen 20, die sich diese Verbindung teilen, vorgesehen wird. Die Leckageimpedanzen 38 und 40 neigen dazu, die Ausgangsspannung V_N des Differenzverstärkers 30 auf Masse zu ziehen, wenn der Draht 28, der mit dem bestimmten Eingang des Differenzverstärkers 30 verbunden ist, bricht oder die Verbindung anderweitig ausfällt.
Wenn beispielsweise der Draht 44 bricht, werden der positive Anschluss und die Leckageimpedanz 38 des Differenzverstärkers 30, der die Ausgangsspannung V_N aufweist, beeinträchtigt und werden der negative Anschluss und die Leckageimpedanz 40 des Differenzverstärkers 30, der die Ausgangsspannung V_N+1 aufweist, beeinträchtigt. Insbesondere wird die Ausgangsspannung V_N Null oder negativ, da die Leckageimpedanz 38 den positiven Anschluss dieses Differenzverstärkers 30 zu Masse zieht, und der negative Anschluss dieses Differenzverstärkers 30 ist negativ relativ dazu, da sein Draht 28 nicht ausgefallen ist. Der gegenteilige Effekt tritt für den Differenzverstärker 30, der die Ausgangsspannung V_N+1 aufweist, auf, da der negative Anschluss dieses Differenzverstärkers 30 zu Masse gezogen wird und der positive Anschluss eine positive Spannung aufweist, so dass die Ausgangsspannung V_N+1 auf das positive Potential der Energieversorgung des Verstärkers geht. Daher wird die Spannung V_N Null oder negativ, und die Spannung V_N+1 befindet sich an der positiven Schiene des Differenzverstärkers 30.
3 ist ein Schaubild mit der Zellenanzahl an der horizontalen Achse und der Spannung an der vertikalen Achse. Die Linie 50 repräsentiert das maximale Spannungspotential der Zellen 20, und die Linie 52 repräsentiert ein durchschnittliches Spannungspotential der Zellen 20. Jeder Punkt 54 repräsentiert eine bestimmte Zellenausgangsspannung. Es sind zwei Stellen 56 und 58 gekennzeichnet, um eine schlecht arbeitende Zelle und eine ausgefallene Plattenverbindung zu unterscheiden. Insbesondere zeigt die Stelle 56, dass die vierte Zelle eine Ausgangsspannung nahe Null aufweist, und zeigt, dass die vierte Zelle eine schlecht arbeitende Zelle ist. An der Stelle 58 besitzt eine Zelle 20 eine Ausgangsspannung bei oder nahe Null, und eine benachbarte Zelle 20 besitzt eine Ausgangsspannung bei etwa der maximalen Spannung, was eine ausgefallene Verbindung zeigt. Daher kann ein Algorithmus vorgesehen werden, der nach diesem Typ von Muster sucht, bei dem benachbarte Zellenspannungen V das an der Stelle 58 gezeigte Muster vorsehen. Alternativ dazu kann abhängig davon, wie die Zellen verbunden sind, das hohe Spannungspotential zuerst auftreten und das niedrige Spannungspotential kann das zweite sein.
4 ist ein Flussdiagramm 70, das einen Prozess, um zu bestimmen, ob eine ausgefallene Plattenverbindung vorhanden ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Algorithmus sammelt bei Kästchen 72 zunächst alle gemessenen Zellenspannungen V_N. Der Algorithmus berechnet dann bei Kästchen 74 eine durchschnittliche Zellenspannung aus allen gemessenen Zellenspannungen V_N. Der Algorithmus berechnet dann bei Kästchen 76 eine Standardabweichung σ aller gemessenen Zellenspannungen V. Der Algorithmus bestimmt dann bei Entscheidungsraute 78, ob die Ausgangsspannung V_N jedes Differenzverstärkers 30 kleiner als das Vierfache der Standardabweichung σ ist. Die Verwendung des Werts des Vierfachen der Standardabweichung σ ist ein nicht beschränkendes Beispiel, da auch andere Werte verwendet werden können. Wenn an der Entscheidungsraute 78 keine der Zellenspannungen V_N kleiner als die vierfachen Standardabweichungen σ ist, dann existiert keine schlecht arbeitende Zelle und alle Verbindungen sind bei Kästchen 80 gut. Wenn an der Entscheidungsraute 78 eine der Zellenspannungen V_N kleiner als vier Standardabweichungen σ ist, dann kann eine der Zellen eine schlecht arbeitende Zelle sein oder eine der Verbindungen kann schlecht sein.
Der Algorithmus bestimmt dann bei Entscheidungsraute 82, ob eine Spannung V_N einer benachbarten Zelle größer als vier Standardabweichungen σ ist oder bei einem maximalen Spannungspotential liegt. Wenn die Spannung V_N der benachbarten Zelle an der Entscheidungsraute 82 nicht größer als vier Abweichungen σ der durchschnittlichen Zellenspannung ist oder bei einer maximalen Spannung liegt, dann existiert bei Kästchen 84 keine schlechte Verbindung, jedoch eine schlecht arbeitende Zelle. Wenn die Spannung V_N der benachbarten Zelle bei der maximalen Spannung liegt oder größer als vier Standardabweichungen σ ist, dann bestimmt der Algorithmus bei Kästchen 86, dass eine schlechte Verbindung vorhanden ist. Der Algorithmus läuft auf diese Weise durch die gesamte Liste der Zellen 20, um eine schlecht arbeitende Zelle oder einen Verbindungsausfall zu bestimmen, und kehrt dann zur Berechnung der durchschnittlichen Zellenspannung und der Standardabweichung σ an den Kästchen 72, 74 und 76 zurück. Wenn die Zellen 20 anders verdrahtet sind oder der Algorithmus in der entgegengesetzten Richtung abläuft, bestimmt er dann zuerst, ob eine Zellenspannung V_N größer als vier Standardabweichungen σ oder bei der maximalen Spannung ist und bestimmt dann, ob die Zellenspannung kleiner als vier Standardabweichungen σ ist.
5 ist eine Draufsicht eines Teils eines Brennstoffzellenstapels 64, der Stapelplatten 66 aufweist, die die Brennstoffzellen in dem Stapel 64 trennen. Bei dieser Ausführungsform wird das Spannungspotential über eine Brennstoffzelle in dem Stapel 64 durch einen Spannungsmesser 68 gemessen, wobei ein Draht mit einer Platte 66 auf einer Seite der Brennstoffzelle und einem Anschluss des Spannungsmessers 68 verbunden ist und ein anderer Draht mit einer gegenüberliegenden Platte an der anderen Seite der Brennstoffzelle und dem anderen Anschluss des Spannungsmessers 68 verbunden ist. Ferner ist ein Draht mit einem positiven Anschluss von einem der Spannungsmesser 68 und einem negativen Anschluss eines benachbarten Messers 68 verbunden. Daher ist die Konfiguration des in 5 gezeigten Zellenspannungsüberwachungssubsys tems ähnlich dem in 1 gezeigten Zellenspannungsüberwachungssubsystem, wobei die Differenzverstärker durch Spannungsmesser ersetzt sind.
Wenn eine der Zellen ausfällt, wird die Ablesung von einem bestimmten Spannungsmesser 68 niedrig, wodurch eine Angabe desselben vorgesehen wird. Wenn jedoch einer der Drähte locker wird oder bricht oder sich die Verbindung verschlechtert, ändert sich die Ausgangsspannung eines bestimmten Spannungsmessers 68 nicht. Wenn beispielsweise der Draht an der Stelle 70 bricht oder anderweitig ausfällt, so dass die Platte 72 nicht mit den Spannungsmessern 74 und 76 elektrisch gekoppelt ist, fließt der durch den Spannungsmesser 76 fließende Strom dann weiter durch den Spannungsmesser 74 und gibt nicht an, dass ein Draht ausgefallen ist.
6 ist ein schematisches Blockschaubild einer bekannten Zellenspannungseinheit (CVU) 90, die das Spannungspotential einer Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel, der durch Stapelplatten 92 dargestellt ist, misst. Bei dieser Ausführungsform sind ein erster Multiplexer 94 und ein zweiter Multiplexer 96 vorgesehen, um selektiv zu schalten, welche der Brennstoffzellen zu einer bestimmten Zeit gemessen wird, um Systemkomponenten zu reduzieren. Bei einer Ausführungsform kann die CVU 90 das Spannungspotential von bis zu sechzehn Brennstoffzellen messen. Insbesondere sind alle Drähte, die mit den Platten 92 gekoppelt sind, elektrisch mit den Eingängen beider Multiplexer 94 und 96 gekoppelt. Die Multiplexer 94 und 96 werden so gesteuert, dass der Ausgang des Multiplexers 94 mit einer der Platten 92 gekoppelt ist und der Ausgang des Multiplexers 96 mit einer benachbarten Platte gekoppelt ist, um so eine Spannungspotentialdifferenz zwischen den Platten, die das Spannungspotential der Brennstoffzelle darstellen, vorzusehen. Die Aus gangssignale von den Multiplexern 94 und 96 werden an einen Differenzverstärker 92 angelegt, der ein analoges Differenzspannungspotentialsignal vorsieht, das durch einen Analog/Digital-Wandler (ADC) 100 in ein Digitalsignal umgewandelt wird. Daher kann, da der Differenzverstärker 98 nur mit zwei der Platten 92 zu einem gegebenen Zeitpunkt elektrisch gekoppelt ist, der Ausgang des Differenzverstärkers 98 eine Angabe sowohl einer schlecht arbeitenden Brennstoffzelle als auch einer ausfallenden Verbindung vorsehen.
Die Multiplexer 94 und 96 und der Differenzverstärker 98 enthalten kleine Kapazitäten. Wenn die Multiplexer 94 und 96 die Spannungssignal e von gegenüberliegenden Platten 92 einer Brennstoffzelle ausgeben und die Brennstoffzelle ausfällt, wird die Ladung, die an den Kapazitäten in den Multiplexern 94 und 96 und dem Differenzverstärker 98 gespeichert ist, dissipiert, was bewirkt, dass das Spannungspotential reduziert wird, was eine ausgefallene Zelle angibt. Wenn jedoch ein Draht oder eine Verbindung ausgefallen ist oder ausfällt, wobei in diesem Fall ein hoher Widerstand vorhanden ist, können die Kapazitäten in den Multiplexern 94 und 96 und dem Differenzverstärker 98 ihre Ladung nicht schnell genug dissipieren, wenn die CVU 90 die Ablesung von dieser Zelle nimmt. Daher kann der Ausgang des ADC 100 immer noch eine normal arbeitende Zelle angeben, wenn eine der Verbindungen ausgefallen ist. Wie hier beschrieben ist, kann eine ausgefallene Plattenverbindung entweder ein gebrochener Draht, ein erhöhter Kontaktwiderstand zwischen einem Verbinderstift und der Platte oder irgendein anderer erhöhter Widerstand zu der Platte sein. Daher beeinflusst dieser erhöhte Widerstand die Spannungsablesung, die von der CVU 90 genommen wird. Eine ausgefallene Stiftverbindung kann das Ergebnis einer Wechselwirkung von Sauerstoff und Wasser an der Verbindung resultieren.
7 ist ein schematisches Blockschaubild einer CVU 106 ähnlich der CVU 90, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist eine Entladevorrichtung 108 elektrisch über die Eingänge zu dem Differenzverstärker 98 und die Ausgänge des Multiplexers 94 und 96 gekoppelt. Gemäß der Erfindung werden jedes Mal, wenn die Multiplexer 94 und 96 eine Ausgabe der Spannungssignale für eine Brennstoffzelle beendet haben, die Multiplexer 94 und 96 deaktiviert oder ausgeschaltet, und die Entladevorrichtung 108 wird aktiviert oder ausgeschaltet, und die Entladevorrichtung 108 wird aktiviert, um die Eingänge des Differenzverstärkers 98 und die Ausgänge der Multiplexer 94 und 96 kurz zu schließen, wodurch die Differenzspannung über die Eingänge des Differenzverstärkers 98 dissipiert wird, während die Kapazitäten mit der Gleichtaktspannung der Brennstoffzelle geladen bleiben. Bei einer Ausführungsform weist die Entladevorrichtung 108 einen Schalter auf, um den Kurzschluss vorzusehen, wobei jedoch andere Vorrichtungen gleichermaßen anwendbar sind.
Die Multiplexer 94 und 96 werden dann eingeschaltet, und die Entladevorrichtung 108 wird deaktiviert, so dass die CVU 106 dann die Messung für die nächste Brennstoffzelle nehmen kann. Wenn die CVU 106 die Messung benachbarter Brennstoffzellen nimmt, wird die Gleichtaktspannungsladung, die an den Kapazitäten des Differenzverstärkers 98 und der Multiplexer 94 und 96 gespeichert ist, durch die Plattenverbindungen dissipiert. Wenn eine der Plattenverbindungen gebrochen ist, wird die Gleichtaktspannung nicht dissipiert und der Differenzverstärker 98 misst die Differenz zwischen der Plattenspannung und der gespeicherten Gleichtaktspannung. Wenn die gebrochene Plattenverbindung mit dem positiven Anschluss einer Brennstoffzelle in Verbindung steht, wird die gemessene Spannung negativ. Umgekehrt wird, wenn die gebrochene Verbindung mit dem negativen Anschluss einer Brennstoffzelle in Verbindung steht, die gemessene Spannung etwa das Doppelte der Zellenspannung. Das resultierende Ausgangsspannungssignal von dem ADC 100 ist zuerst niedrig oder hoch und wird dann hoch oder niedrig. Da die Multiplexer nun das echte Spannungssignal für die Brennstoffzellen ausgeben, zeigt eine Angabe einer ausgefallenen Plattenverbindung das Muster an Stelle 58 in 3.
Die 8A und 8B sind schematische Schaubilder einer CVU 110, die die Grundsätze der CVU 106 enthält. Die CVU 110 enthält zwei Verbinder 112 und 114, die mit einer Serie von Platten in dem Brennstoffzellenstapel verbunden sind. Bei einer Ausführungsform sind die Verbinder 112 und 114 mit den Platten von sechzehn benachbarten Brennstoffzellen verbunden. Die Spannungssignale von den Verbindern 112 und 114 werden an die Multiplexer 116 und 118 geliefert, die die Multiplexer 94 bzw. 96 repräsentieren. Es wird eine Reihe von Widerständen 120 und Kondensatoren 122 in den Leitungen vorgesehen, die die Verbinder 112 und 114 mit den Multiplexern 116 und 118 verbinden, um ein Filtern und eine Rauschverringerung vorzusehen. Die Verbindung der Drähte mit den Multiplexern 116 und 118 ist so, dass, wenn ein bestimmter Stift an den Multiplexern 116 und 118 gewählt ist, der Ausgang des Multiplexers 116 ein Spannungssignal von einer Platte darstellt und der Ausgang des Multiplexers 118 ein Spannungssignal von einer benachbarten Platte darstellt. Die Ausgänge der Multiplexer 116 und 118 werden an einen Differenzverstärker 126 angelegt, der den Differenzverstärker 98 repräsentiert.
Ähnlicherweise ist eine Entladevorrichtung 128, die die Entladevorrichtung 108 repräsentiert, elektrisch über die Eingangsleitungen mit dem Differenzverstärker 126 und den Ausgängen der Multiplexer 116 und 118 gekoppelt. Bei dieser Ausführungsform weist die Entladevorrichtung 128 vier Schalter 130 auf, wobei zwei der Schalter 130 dazu verwendet werden, die Eingangsleitungen zu dem Differenzverstärker 126 kurzzuschließen. Zwei der Schalter 130 werden für Zwecke eines reduzierten Widerstandes verwendet. Die anderen beiden Schalter 130 werden dazu verwendet, die Multiplexer 116 und 118 in eine andere Betriebsart zu schalten, in der das entgegengesetzte positive oder negative Spannungssignal von der Brennstoffzelle zuerst genommen wird, so dass das Schalten der Multiplexer 116 und 118 von 1 zu 16 und dann von 16 zu 1 umgekehrt werden kann. Der Ausgang des Differenzverstärkers 126 wird durch ein Filter 132 an einen Analog/Digital-Wandler 134 geliefert, der die Umwandlung vorsieht. Eine Spannungseinheit 136 sieht eine Referenzspannung vor.
Die vorhergehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Fachleute erkennen aus einer derartigen Beschreibung und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen leicht, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.

Claims

Verfahren zur Bestimmung, ob eine elektrische Verbindung zu einer Platte in einem Brennstoffzellenstapel ausgefallen ist, wobei das Verfahren umfasst, dass: die Spannung jeder Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel gemessen wird; bestimmt wird, ob die gemessene Zellenspannung von einer der Brennstoffzellen unterhalb einer ersten vorbestimmten Spannung liegt; bestimmt wird, ob die gemessene Zellenspannung einer zu der einen Brennstoffzelle benachbarten Brennstoffzelle über einer zweiten vorbestimmten Spannung liegt; und bestimmt wird, dass eine elektrische Verbindung zu einer gemeinsamen Platte zwischen den beiden Brennstoffzellen ausgefallen ist, wenn die Spannung der einen Brennstoffzelle unter der ersten vorbestimmten Spannung liegt und die Spannung der benachbarten Brennstoffzelle über der zweiten vorbestimmten Spannung liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass bestimmt wird, dass die eine Brennstoffzelle eine niedrige Zellenspannung aufweist, wenn die Zellenspannung der einen Brennstoffzelle unter der ersten vorbestimmten Spannung liegt und die Zellenspannung der benachbarten Brennstoffzelle nicht über der zweiten vorbestimmten Spannung liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite vorbestimmte Spannung eine maximale Stapelspannung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass eine durchschnittliche Zellenspannung aus allen Zellenspannungen berechnet wird und eine Standardabweichung der durchschnittlichen Zellenspannung berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die erste vorbestimmte Spannung etwa dem Vierfachen der Standardabweichung entspricht und die zweite vorbestimmte Spannung etwa dem Vierfachen der Standardabweichung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Messen der Zellenspannungen umfasst, dass ein Differenzverstärker verwendet wird, der einen Eingang von einer Platte in dem Stapel und einen Eingang von einer benachbarten Platte in dem Stapel aufweist und der einen Spannungsausgang der Zelle zwischen den beiden Platten vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Messen der Zellenspannungen ferner umfasst, das zwei Multiplexer verwendet werden, um die Zellenspannungen selektiv und nacheinander an den Differenzverstärker von einer Vielzahl von Brennstoffzellen zu liefern.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Messen der Zellenspannungen ferner umfasst, dass eine Entladevorrichtung verwendet wird, um eine Kapazität in dem Differenzverstärker zwischen jeder Zeit, wenn eine Zellenspannung gemessen wird, zu dissipieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich der Brennstoffzellenstapel an einem Fahrzeug befindet.
Brennstoffzellensystem mit: einem Brennstoffzellenstapel, der eine Vielzahl von Brennstoffzellen aufweist, die durch Bipolarplatten definiert sind, die durch Membranelektrodenanordnungen getrennt sind; und einem Zellenspannungsüberwachungssubsystem, das Drähte aufweist, die elektrisch mit jeder Bipolarplatte gekoppelt sind, wobei das Zellenspannungsüberwachungssubsystem ferner eine Vielzahl von Differenzverstärkern aufweist, wobei ein Draht, der mit einer Bipolarplatte gekoppelt ist, elektrisch mit einem positiven Eingang eines Differenzverstärkers und einem negativen Anschluss eines anderen Differenzverstärkers gekoppelt ist, wobei das Zellenspannungsüberwachungssubsystem bestimmt, ob eine Drahtverbindung ausgefallen ist, indem es die Spannung jeder Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel misst, bestimmt, ob die gemessene Zellenspannung von einer der Brennstoffzellen unterhalb einer ersten vorbestimmten Spannung liegt, bestimmt, ob die gemessene Zellenspannung einer der einen Brennstoffzelle benachbarten Brennstoffzelle über einer zweiten vorbestimmten Spannung liegt, und bestimmt, dass eine Verbindung zu einer gemeinsamen Bipolarplatte zwischen den beiden Brennstoffzellen ausgefallen ist, wenn die Spannung der einen Brennstoffzelle unter der ersten vorbestimmten Spannung liegt und die Spannung der benachbarten Brennstoffzelle über der zweiten vorbestimmten Spannung liegt.
System nach Anspruch 10, wobei das Zellenspannungsüberwachungssubsystem bestimmt, dass die eine Brennstoffzelle eine niedrige Zellenspannung aufweist, wenn die Zellenspannung der einen Brennstoffzelle unterhalb der ersten vorbestimmten Spannung liegt und die Zellenspannung der benachbarten Brennstoffzelle nicht über der zweiten vorbestimmten Spannung liegt.
System nach Anspruch 10, wobei die zweite vorbestimmte Spannung eine maximale Stapelspannung ist.
System nach Anspruch 10; wobei das Zellenspannungsüberwachungssubsystem eine durchschnittliche Zellenspannung aus allen Zellenspannungen berechnet und eine Standardabweichung der durchschnittlichen Zellenspannung berechnet.
System nach Anspruch 13, wobei die erste vorbestimmte Spannung etwa dem Vierfachen der Standardabweichung entspricht und die zweite vorbestimmte Spannung etwa dem Vierfachen der Standardabweichung entspricht.
System nach Anspruch 10, wobei sich das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug befindet.
Brennstoffzellensystem, mit: einem Brennstoffzellenstapel, der eine Vielzahl von Brennstoffzellen aufweist, die durch Bipolarplatten definiert sind, die durch Membranelektrodenanordnungen getrennt sind; und einem Zellenspannungsüberwachungssubsystem, das Drähte aufweist, die elektrisch mit jeder Bipolarplatte gekoppelt sind, wobei das Zellenspannungsüberwachungssubsystem ferner einen ersten Multiplexer und einen zweiten Multiplexer aufweist, von denen jeweils ein Eingang mit den Drähten gekoppelt ist, wobei das Zellenspannungsüberwachungssubsystem ferner einen Differenzverstär ker aufweist, der einen ersten Eingang, der ein Spannungssignal von einem Ausgang von dem ersten Multiplexer aufnimmt, und einen zweiten Eingang aufweist, der ein Spannungssignal von einem Ausgang des zweiten Multiplexers aufnimmt, wobei der erste und zweite Multiplexer so gesteuert sind, dass ein Eingang des ersten Multiplexers ein Spannungssignal von einer der Bipolarplatten in dem Stapel vorsieht und ein Eingang des zweiten Multiplexers ein Spannungssignal von einer gegenüberliegenden Bipolarplatte in dem Brennstoffzellenstapel vorsieht, wobei der Differenzverstärker einen Differenzausgang der Spannungssignale vorsieht, wobei das Zellenspannungsüberwachungssubsystem ferner eine Entladevorrichtung aufweist, um eine Kapazität in dem Differenzverstärker zwischen jeder Zeit zu dissipieren, wenn ein Spannungspotentialsignal von dem ersten und zweiten Multiplexer vorgesehen wird.
System nach Anspruch 16, wobei die Entladevorrichtung zumindest einen Schalter zum Kurzschließen des Eingangs zu dem Differenzverstärker und den Ausgängen des ersten und zweiten Multiplexers aufweist.
System nach Anspruch 16, wobei der zumindest eine Schalter zwei Schalter aufweist.
System nach Anspruch 16, wobei das Zellenspannungsüberwachungssubsystem einen Analog/Digital-Wandler zum Umwandeln des Analogausgangs von dem Differenzverstärker zu einem Digitalsignal aufweist.
System nach Anspruch 16, wobei das Zellenspannungsüberwachungssubsystem die Spannung von sechzehn benachbarten Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel überwacht.
System nach Anspruch 16, wobei das Zellenspannungsüberwachungssubsystem bestimmt, dass die gemessene Zellenspannung von einer der Brennstoffzellen unter einer ersten vorbestimmten Spannung liegt, bestimmt, ob die gemessene Zellenspannung einer zu der einen Brennstoffzelle benachbarten Brennstoffzelle über einer zweiten vorbestimmten Spannung liegt, und bestimmt, dass eine Verbindung zu einer gemeinsamen Bipolarplatte zwischen den beiden Brennstoffzellen ausgefallen ist, wenn die Spannung der einen Brennstoffzelle unter der ersten vorbestimmten Spannung liegt und die Spannung der benachbarten Zelle über der zweiten vorbestimmten Spannung liegt.
System nach Anspruch 20, wobei die zweite vorbestimmte Spannung eine maximale Stapelspannung ist.