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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Verhindern von Potentialumpolungen der Brennstoffzellenspannung und insbesondere ein Verfahren zum Verhindern eines Brennstoffzellenkurzschlusses aufgrund von Potentialumpolungen der Brennstoffzellenspannung, indem verhindert wird, dass Stapelleistungsanforderungen die Brennstoffzellenmembranen übertrocknen.
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2. Beschreibung der verwandten Technik
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Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle 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 an dem Anodenkatalysator aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen an dem Kathodenkatalysator, 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.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anoden- und Kathodenelektroden oder Katalysatorschichten weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf gegenüberliegenden Seiten der Membran abgeschieden, und zwar entweder direkt auf die Membran oder auf das Anoden- bzw. Kathodendiffusionsmedium beschichtet. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). Jede MEA ist gewöhnlich schichtartig zwischen zwei Lagen aus porösem Material, der Gasdiffusionsschicht (GDL), angeordnet, die die mechanische Stabilität der Membran schützt und auch eine gleichförmige Reaktanden- und Feuchteverteilung unterstützt. MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
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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 Luftströmung auf, die durch den Stapel über einen Verdichter bzw. Kompressor getrieben wird. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Nebenprodukt der in dem Stapel stattfindenden chemischen Reaktion enthalten kann.
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Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von bipolaren Platten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die bipolaren Platten weisen anodenseitige und kathodenseitige Strömungsverteiler oder Strömungsfelder für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der bipolaren Platten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. An der Kathodenseite der bipolaren Platten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Eine Endplatte weist Anodengasströmungskanäle auf, und die andere Endplatte weist Kathodengasströmungskanäle auf. Die bipolaren Platten und Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit bzw. Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die bipolaren Platten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
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Die Membran in einer Brennstoffzelle muss einen gewissen Wassergehalt aufweisen, so dass der Innenwiderstand über die Membran ausreichend gering ist, um effektiv Protonen zu leiten. Eine Membranbefeuchtung kann von dem Stapelwasser-Nebenprodukt oder externer Befeuchtung stammen. Die Strömung von Reaktanden durch die Strömungskanäle des Stapels besitzt eine Trocknungswirkung auf die Zellenmembranen, am merklichsten an einem Einlass der Reaktandenströmung. Jedoch kann die Ansammlung von Wassertröpfchen in den Strömungskanälen ein Hindurchströmen von Reaktanden verhindern und kann bewirken, dass die Zelle aufgrund geringer Reaktandengasströmung ausfällt, wodurch die Stapelstabilität beeinträchtigt wird. Die Ansammlung von Wasser in den Reaktandengasströmungskanälen wie auch innerhalb der GDL ist bei geringen Stapelausgangslasten besonders problematisch.
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Wie vorher erwähnt, wird Wasser als ein Nebenprodukt des Stapelbetriebs erzeugt. Daher enthält das Kathodenabgas von dem Stapel typischerweise Wasserdampf und flüssiges Wasser. In der Technik ist es bekannt, eine Wasserdampfübertragungs-(WVT-)Einheit zu verwenden, um einen Teil des Wassers in dem Kathodenabgas abzufangen und das Wasser zur Befeuchtung der Kathodeneingangsluftströmung zu verwenden. Wasser in dem Kathodenabgas auf einer Seite der Wasserübertragungselemente, wie der Membranen, wird durch die Wasserübertragungselemente absorbiert und an den Kathodenluftstrom an der anderen Seite der Wasserübertragungselemente übertragen.
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Der Hochfrequenzwiderstand (HFR) ist eine gut bekannte Eigenschaft von Brennstoffzellen und steht eng mit dem ohmschen Widerstand oder dem Membranprotonenwiderstand der Brennstoffzellenmembran in Beziehung. Der ohmsche Widerstand ist selbst eine Funktion des Grades der Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran. Daher kann durch Messen des HFR der Membranen des Brennstoffzellenstapels innerhalb eines spezifischen Bandes von Erregungsstromfrequenzen der Grad an Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran bestimmt werden. Es können auch andere Verfahren zur Bestimmung des ohmschen Widerstandes wie Stromunterbrechungsverfahren, Impedanzspektroskopie und/oder Schätzungen auf Grundlage von Temperatur und relativer Feuchte, verwendet werden, um den Zellenwiderstand zu bestimmen.
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Protonenaustauschmembrane (PEMs) besitzen typischerweise eine höhere Protonenleitfähigkeit bei einem erhöhten Hydratationszustand, was es wünschenswert macht, Brennstoffzellenstapel bei einem höheren Niveau an Membranbefeuchtung zu betreiben. Jedoch kann, wie oben diskutiert ist, eine Membran, die zu feucht ist, Probleme aufgrund einer Wasseransammlung in den Gasströmungskanälen bewirken, und während Niedertemperaturumgebungen kann ein Gefrieren des Wassers in dem Brennstoffzellenstapel Eis erzeugen, das Strömungskanäle blockiert, wodurch Systemneustarts beeinträchtigt werden. Daher ist es typischerweise vorteilhafter, den Brennstoffzellenstapel mit geringer Membranfeuchte zu betreiben, um die Systemkosten und -komplexität zu reduzieren und eine bessere Gefrierstartleistungsfähigkeit zu ermöglichen, trotz der Tatsache, dass Membrane, die zu trocken sind, eine zu geringe elektrische Leitfähigkeit besitzen, die einen Kurzschluss des Brennstoffzellenstapels bewirken kann.
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Eine der Gefahren in Verbindung mit einem Betrieb eines Brennstoffzellenstapels bei einem geringeren Niveau an Membranfeuchte ist die Möglichkeit einer Potentialumpolung der Brennstoffzellenspannung, die als negative Zellenpotentiale bezeichnet wird, wobei die Polarität der Brennstoffzelle umgepolt wird. Zellenumpolungen können zu einem Zellenkurzschluss und einer Stiftlochbildung in der Brennstoffzellenmembran führen, was seinerseits zu einem Schaden an der Brennstoffzelle wie auch einem Sicherheitsproblem führen kann. Da die Brennstoffzellen gewöhnlich elektrisch in Reihe geschaltet sind, kann, wenn eine der Brennstoffzellen zu arbeiten aufhört, der gesamte Brennstoffzellenstapel zu arbeiten aufhören. Somit ist es wichtig, sicherzustellen, dass ein Brennstoffzellenstapel nicht zu trocken betrieben wird.
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In der Technik ist es bekannt, Vorgehensweisen zu implementieren, um Brennstoffzellenstapel vor übermäßig trockenem Betrieb zu schützen, wie während der anfänglichen Stufen von Gefrierstarts. Während diese Verfahren in den meisten Fällen funktionieren, sind die Stromrampenratengrenzen, d. h. die Rate der Spannungszunahme oder -abnahme, die die Brennstoffzelle bei dem gegebenen Befeuchtungsniveau der Zelle sicher ausführen kann, empirisch und können willkürlich sein. Somit kann es sein, dass Strom Rampenratengrenzen zu konservativ sind und nicht alle möglichen Szenarien sicher abdecken können, wie beispielsweise, wenn die Kühlmitteltemperatur des Brennstoffzellensystems normale Betriebstemperaturen aufgrund von fehlerhaften Kühlmitteltemperatursensoren überschreitet. Daher besteht in der Technik ein Bedarf nach einem robusteren Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenstapels unter relativ trockenen Bedingungen, um das Auftreten von Brennstoffzellenumpolungen zu verhindern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Verhindern einer Potentialumpolung der Brennstoffzellenspannung offenbart, das umfasst, dass eine Beziehung zwischen dem Zellenwiderstand und dem Strom eines Brennstoffzellenstapels, bei dem eine Potentialumpolung der Brennstoffzellenspannung auftritt, bestimmt wird, der Brennstoffzellenstapel gemäß eines angeforderten Leistungsbedarfs betrieben wird und der maximal hohe Zellenwiderstand der Brennstoffzellen in dem Stapel bestimmt wird. Wenn der maximale Zellenwiderstand einen Schwellenwert für den Strom, bei dem der Brennstoffzellenstapel betrieben wird, überschreitet, wird der Betrieb des Brennstoffzellenstapels beschränkt, um eine Umpolung des Potentials der Brennstoffzellenspannung zu verhindern.
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Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein schematisches Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems;
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2 ist eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle;
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3A und 3B sind Schaubilder mit der Zellenstromdichte an der x-Achse und dem Kathodentaupunkt an der y-Achse;
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4A und 4B sind Schaubilder mit der Zellenstromdichte an der x-Achse und dem HFR an der y-Achse; und
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5 ist ein Flussdiagramm des Verfahrens, um Umpolungen des Brennstoffzellenstapels zu verhindern.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Verfahren zum Verhindern von Potentialumpolungen der Brennstoffzellenspannung gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
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1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Der Brennstoffzellenstapel 12 nimmt Wasserstoff von einer Wasserstoffquelle 14 an der Anodeneingangsleitung 16 auf und liefert ein Anodenabgas auf Leitung 18. Ein Kompressor 20 liefert eine Luftströmung an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Kathodeneingangsleitung 22 durch eine Wasserdampfübertragungs-(WVT-)Einheit 26, die die Kathodeneingangsluft befeuchtet. Ein Kathodenabgas wird von dem Stapel 12 auf einer Kathodenabgasleitung 28 ausgegeben. Die Kathodenabgasleitung 28 lenkt das Kathodenabgas an die WVT-Einheit 26, um die Feuchte zum Befeuchten der Kathodeneingangsluft bereitzustellen. Es ist eine Umgehungsleitung 36 um die WVT-Einheit 26 vorgesehen und ein Umgehungsventil 32 ist in der Umgehungsleitung 36 vorgesehen und wird gesteuert, um das Kathodenabgas durch oder um die WVT-Einheit 26 selektiv umzulenken, um die gewünschte Menge an Feuchte für die Kathodeneingangsluft bereitzustellen. Ein Controller 40 steuert das Umgehungsventil 32 und den Kompressor 20.
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Ein Hochfrequenzwiderstand-(HFR)-Sensor 42 misst den HFR des Brennstoffzellenstapels 12, wodurch eine Bestimmung des Zellenmembran-Befeuchtungsniveaus des Brennstoffzellenstapels 12 durch den Controller 40 ermöglicht wird.
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2 ist eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle 24, die Teil eines Brennstoffzellenstapels des oben beschriebenen Typs ist. Die Brennstoffzelle 24 weist eine Kathodenseite 44 und eine Anodenseite 46 auf, die durch eine Elektrolytmembran 48 getrennt sind. An der Kathodenseite 44 ist eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 50 vorgesehen, und zwischen der Membran 48 und der Diffusionsmediumschicht 50 ist eine kathodenseitige Katalysatorschicht 52 vorgesehen. Ähnlicher Weise ist an der Anodenseite 46 eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht 54 vorgesehen, und zwischen der Membran 48 und der Diffusionsmediumschicht 54 ist eine anodenseitige Katalysatorschicht 56 vorgesehen. Die Katalysatorschichten 52 und 56 und die Membran 48 definieren eine MEA. Die Diffusionsmediumschichten 50 und 54 sind poröse Schichten, die für einen Eingangsgastransport zu und Wassertransport von der MEA sorgen. In der Technik sind verschiedene Techniken zum Abscheiden der Katalysatorschichten 52 und 56 auf den Diffusionsmediumschichten 50 bzw. 54 oder auf der Membran 48 bekannt.
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Eine kathodenseitige Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte 58 ist an der Kathodenseite 44 vorgesehen, und eine anodenseitige Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte 60 ist an der Anodenseite 46 vorgesehen. Die Bipolarplatten 58 und 60 sind zwischen den Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel vorgesehen. Eine Wasserstoffreaktandengasströmung von den Strömungskanälen 62 in der Bipolarplatte 60 reagiert mit der Katalysatorschicht 56, um die Wasserstoffionen und die Elektronen aufzuspalten. Eine Luftströmung von den Strömungskanälen 64 in der Bipolarplatte 58 reagiert mit der Katalysatorschicht 52. Die Wasserstoffionen können sich durch die Membran 48 hindurch ausbreiten, wo sie elektrochemisch mit dem Sauerstoff in der Luftströmung und den zurückkehrenden Elektronen in der Katalysatorschicht 52 reagieren, um Wasser als ein Nebenprodukt zu erzeugen. Die Bipolarplatte 58 umfasst Stege 66 zwischen den Strömungskanälen 64, und die Bipolarplatte 60 weist Stege 68 zwischen den Strömungskanälen 62 auf. In der Bipolarplatte 58 sind Kühlfluidströmungskanäle 70 vorgesehen, und in der Bipolarplatte 60 sind Kühlfluidströmungskanäle 72 vorgesehen.
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Wenn in der Brennstoffzelle 24 ein negatives Zellenpotential auftritt, wird die Polarität der Brennstoffzelle 24 umgepolt, was typischerweise ein erhöhtes negatives Potential bewirkt, das Wärme erzeugt und die Membran 48 in der Brennstoffzelle 24 schädigen kann. Wenn die Membran 48 beschädigt ist, können sich Membranstiftlöcher entwickeln und zu einem Gasübertrittsschaden in der Zelle 24 führen. Ferner können die Diffusionsmediumschichten 50 und 54 auf jeder Seite der Membran 48 in Kontakt miteinander kommen, was einen Kurzschluss sowie ein weiter erhöhtes negatives Potential sowie die Erzeugung von mehr Wärme bewirkt, was zu einem größeren Schaden führt. Daher ist ein Verfahren, um zu verhindern, dass derartige negative Brennstoffzellenspannungspotentiale auftreten, erforderlich, um die Funktionalität der Brennstoffzelle 24 in einem Brennstoffzellenstapel zu bewahren.
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Es ist eine Reihe von Tests zur Untersuchung des Umpolungsverhaltens der Brennstoffzellenspannung unter Verwendung von zwei verschiedenen Typen von Membranen, nämlich Membran A und Membran B, unter Verwendung spezifischer Brennstoffzellenarchitekturen und -ausstattung, um andere Variablen zu beseitigen, durchgeführt worden. Die 3A und 3B sind Schaubilder mit der Zellenstromdichte an der x-Achse und dem Einlasskathodentaupunkt an der y-Achse, die zeigen, dass kritische Taupunkte vorhanden sind, bei denen für die Membran A bzw. die Membran B Zellenumpolungen auftreten. 3B zeigt, dass die Membran B einen geringeren kritischen Kathodentaupunkt für die meisten Stapelstromdichten und Zellentemperaturen besitzt, was darauf hinweist, dass die Membran B ein breiteres Betriebsfenster besitzen kann. Zusätzlich zeigen die 3A und 3B, dass bei höheren Stapelstromdichten oder Zellentemperaturen Spannungspotentialumpolungen der Brennstoffzelle 24 bei höheren Taupunkten, d. h. höherer Feuchte, auftreten können. Dies weist darauf hin, dass, wenn die Stromdichte oder Zellentemperatur steigt, das Fenster des sicheren Betriebs ohne die Gefahr einer Potentialumpolung der Zellenspannung schmäler wird. Der HFR wird auch gemessen, wenn eine Potentialumpolung der Zellenspannung während der Reihe von Tests, wie oben beschrieben, auftritt, was nachfolgend detaillierter diskutiert ist. Wie es dem Fachmann leicht offensichtlich ist, stellt der HFR lediglich einen Weg zur Bestimmung des ohmschen Widerstandes dar, und es können andere Verfahren, wie Stromunterbrechungsverfahren, Impedanzspektroskopie und/oder Schätzungen auf Grundlage der Temperatur und relativen Feuchte verwendet werden, um den Zellenwiderstand zu bestimmen, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Obwohl die 3A und 3B zeigen, dass die Membranen A bzw. B signifikant verschiedene Betriebsfenster besitzen, sei angemerkt, dass die kritischen Zellen-HFR-Schwellen, wenn eine Potentialumpolung der Zellenspannung für die entsprechenden Stromdichten auftritt, ungeachtet der Zellentemperaturen oder der verschiedenen Taupunktschwellen ziemlich ähnlich sind, wie in den 3A und 3B zu sehen ist. Daher existiert überraschenderweise eine Beziehung zwischen dem HFR und der Stromdichte. Somit kann durch Überwachen des Zellenwiderstandes eine Strategie zur Bestimmung eines sicheren Betriebsfensters einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels dazu verwendet werden, eine extreme Membranaustrocknung bei verschiedenen Stromdichten zu begrenzen, was seinerseits Brennstoffzellenumpolungen begrenzt. Das Verfahren zum Begrenzen der Brennstoffzellenumpolungen wird nachfolgend unter Verwendung des HFR zur Überwachung des Zellenwiderstandes detaillierter beschrieben.
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Die 4A und 4B sind Schaubilder mit der Zellenstromdichte an der x-Achse und dem HFR an der y-Achse und zeigen, dass der HFR ein effektiver Indikator der Anwesenheit von Zellenumpolungen sein kann. Insbesondere wird, wenn die Kombination des HFR und der Stromdichte in den 4A und 4B in dem Bereich unterhalb der Kurven der 4A und 4B angeordnet ist, d. h. dem Bereich ”ohne Zellenumpolung”, erwartet, dass die Potentialumpolung der Brennstoffzellenspannung nicht auftritt. Wenn andererseits die Kombination des HFR und der Stromdichte in dem Bereich oberhalb der Kurven der 4A und 4B angeordnet ist, d. h. dem ”Zellenumpolungs”-Bereich, wird erwartet, dass eine Potentialumpolung der Brennstoffzellenspannung auftritt, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass ein plötzliches Ende der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 12 aufgrund von Kurzschluss auftritt. Daher ist ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenstapels innerhalb des Bereiches ”ohne Zellenumpolung” auf Grundlage der Reihe von Tests entwickelt worden, die in den 3A, 3B, 4A und 4B gezeigt sind, was nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
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5 ist ein Flussdiagramm 80, das ein Verfahren zum Verhindern von Potentialumpolungen der Brennstoffzellenstapelspannung zeigt. Der Fachmann erkennt leicht, dass die beschriebene Erfindung sowohl auf einzelne Brennstoffzellen wie auch auf eine Mehrzahl von Brennstoffzellen, wie den Brennstoffzellenstapel 12, Anwendung findet.
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Der erste Schritt bei Kasten 82 besteht darin, ein Widerstandskriterium, das die Beziehung zwischen dem Hochfrequenzwiderstand und der Stromdichte ist, bei der die Potentialumpolung der Brennstoffzellenspannung auftreten kann, für den vorbestimmten Typ von Membran 48, der in dem Stapel 12 verwendet wird, zu bestimmen. Unter Verwendung der Daten, die aus dem Test gesammelt werden, wie die Daten, die in den 3A, 3B, 4A und 4B gezeigt sind, wird für die vorbestimmte Membran 48, die bei einer Vielzahl von Stromdichten, Taupunkten und Temperaturen arbeitet, ein HFR-Kriterium hergestellt und in einem nichtflüchtigen Speicher des Controllers 40 für den Brennstoffzellenstapel 12 gespeichert. Der Brennstoffzellenwiderstand wird typischerweise durch Messen des HFR unter Verwendung des HFR-Sensors 42 bestimmt, wobei jedoch andere Verfahren zur Bestimmung des Widerstandes des Brennstoffzellenstapels 12 verwendet werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Der HFR jeder einzelnen Brennstoffzelle des Stapels kann, wie ebenfalls nachfolgend beschrieben ist, gemessen oder geschätzt werden, und der durchschnittliche HFR des Brennstoffzellenstapels 12 kann gemessen oder geschätzt werden.
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Der nächste Schritt bei Kasten 84 besteht darin, den Brennstoffzellenstapel 12 gemäß dem angeforderten Leistungsbedarf zu betreiben. Sobald der Stapel 12 gemäß dem angeforderten Leistungsbedarf arbeitet, wird bei Kasten 86 der maximale Hochfrequenzwiderstand der Brennstoffzellen in dem Stapel 12 bestimmt. Die vorliegende Erfindung schlägt drei Wege zur Bestimmung des maximalen Hochfrequenzwiderstandes der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 12 vor. Bei einer ersten Ausführungsform wird der Hochfrequenzwiderstand jeder Brennstoffzelle gemessen und der maximale Hochfrequenzwiderstand der Brennstoffzelle wird bestimmt. Bei einer zweiten Ausführungsform wird der Hochfrequenzwiderstand jeder Brennstoffzelle auf Grundlage von Modellberechnungen unter Verwendung der gemessenen Spannung jeder Brennstoffzelle geschätzt und der maximale Hochfrequenzwiderstand der Brennstoffzelle wird bestimmt. Bei einer dritten Ausführungsform wird der HFR des Stapels gemessen und eine Nachschlagetabelle wird dazu verwendet, den maximalen Hochfrequenzwiderstand der Brennstoffzelle unter Verwendung gegenwärtiger Stapelbetriebsbedingungen zu schätzen, wie dem Fachmann gut bekannt ist. Andere Wege zur Bestimmung des maximalen Hochfrequenzwiderstandes der Brennstoffzelle können ohne Abweichung von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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Sobald der maximale Hochfrequenzwiderstand der Brennstoffzellen in dem Stapel 12 bestimmt ist, besteht der nächste Schritt an der Entscheidungsraute 88 darin, zu bestimmen, ob der maximale Hochfrequenzwiderstand der Brennstoffzelle einen Schwellen-Hochfrequenzwiderstand überschreitet, der auf dem bei Kasten 82 hergestellten Widerstandskriterium basiert. Typischerweise wird eine Hochfrequenzwiderstands-Sicherheitsspanne dem maximalen Hochfrequenzwiderstand hinzuaddiert, der bei Kasten 86 gemessen oder geschätzt wird, und mit dem bei Kasten 82 hergestellten Widerstandskriterium verglichen, um sicherzustellen, dass der Hochfrequenzwiderstand der Brennstoffzelle kein Auftreten einer Potentialumpolung der Spannung zulässt. Wenn der Widerstand, wie bei dem Kasten 86 überwacht ist, nicht den Schwellen-Hochfrequenzwiderstand, der gemäß dem Widerstandskriterium bei dem Kasten 82 hergestellt ist, überschreitet, dann wird bei der Entscheidungsraute 88 keine Beschränkung auferlegt, wie der Stapel 12 zu betreiben ist, und der Algorithmus kehrt zu dem Kasten 84 zurück und arbeitet gemäß dem angeforderten Leistungsbedarf.
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Wenn jedoch der gemessene oder geschätzte maximale Hochfrequenzwiderstand den gemäß dem Widerstandskriterium bei dem Kasten 82 hergestellten Schwellen-Hochfrequenzwiderstand überschreitet, bestimmt die Entscheidungsraute 88, dass eine Beschränkung für den Betrieb des Stapels 12 erforderlich ist, was bei Kasten 90 stattfindet. Es kann eine Mehrzahl von Korrekturmaßnahmen bei dem Kasten 90 unternommen werden, einschließlich eine Reduzierung der Stromdichte oder eine Reduzierung des Brennstoffzellenstapelwiderstands durch Erhöhung der relativen Feuchte des Stapels. Sobald bei dem Kasten 90 die geeignete restriktive Aktion unternommen wurde, kehrt der Algorithmus zu dem Kasten 84 zurück und ermöglicht, dass der Brennstoffzellenstapel 12 den Leistungsbedarf erfüllen kann. Das Verfahren, wie hier beschrieben ist, kann während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 12 kontinuierlich eingesetzt oder periodisch eingesetzt werden.
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Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen Diskussion und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.
