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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffzellenstapel-Überwachungssystem und insbesondere ein Überwachungssystem für einen Brennstoffzellenstapel, der eine Aggregatorvorrichtung an jedem Ende des Stapels zum Sammeln optischer Signale und zum Umgehen gestörter optischer Signalvorrichtungen verwendet, um gemessene Parameter der Brennstoffzellen oder einer Gruppe von Brennstoffzellen in dem Stapel zu bestimmen.
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2. Diskussion der verwandten Technik
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Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber 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 in dem anodenseitigen Katalysator 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 in dem kathodenseitigen Katalysator, 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 (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 entgegengesetzten Seiten der Membran aufgetragen. 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, einer Gasdiffusionsschicht (GDL), angeordnet, die die mechanische Stabilität der Membran schützt und eine gleichförmige Reaktanden- und Feuchteverteilung unterstützt. Derjenige Teil der MEA, der die Anoden- und Kathodenströmungen trennt, wird als der aktive Bereich bezeichnet, und nur in diesem Bereich können die Wasserdämpfe frei zwischen der Anode und Kathode getauscht werden. MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Befeuchtungsbedingungen 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 Kathodeneingangsreaktandengas, typischerweise eine Luftströmung auf, die durch den Stapel über einen Verdichter bzw. Kompressor 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 Reaktionsnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffreaktandengas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Der Stapel weist auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
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Ein Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von bipolaren Platten (Separatoren) auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen den zwei Endplatten positioniert sind. Die bipolaren Platten weisen anodenseitige und kathodenseitige Strömungsverteiler (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. Nach dem Stapeln werden diese Komponenten typischerweise unter Kompression gesetzt, um die elektrischen Kontaktwiderstände zu minimieren und die Dichtungen zu schließen. 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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Der Hochfrequenzwiderstand (HFR) ist eine gut bekannte Eigenschaft von Brennstoffzellen und steht eng mit dem ohmschen Widerstand oder dem Membranprotonenwiderstand von Brennstoffzellenmembranen in Verbindung. Der ohmsche Widerstand ist selbst eine Funktion des Grades an Brennstoffzellenmembranbefeuchtung. Daher kann durch Messen des HFR der Brennstoffzellenmembranen eines Brennstoffzellenstapels in einem spezifischen Band von Erregungsstromfrequenzen der Grad an Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran bestimmt werden. Diese HFR-Messung erlaubt eine unabhängige Messung der Brennstoffzellenmembranbefeuchtung, wodurch der Bedarf nach RH-Sensoren beseitigt wird.
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Typischerweise werden der Spannungsausgang und möglicherweise der Hochfrequenzwiderstand (HFR) jeder Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel so überwacht, dass das System Kenntnis besitzt, wenn eine Brennstoffzellenspannung oder ein Brennstoffzellen-HFR außerhalb eines gewünschten Bereiches liegt, was einen möglichen Ausfall angibt. Wie es in der Technik zu verstehen ist, wird, da alle Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, wenn eine Brennstoffzelle in dem Stapel ausfällt, dann der gesamte Stapel ausfallen. Für eine ausfallende Brennstoffzelle können als eine temporäre Lösung so lange gewisse Abhilfeaktionen unternommen werden, bis das Brennstoffzellenfahrzeug gewartet werden kann. Derartige Abhilfeaktionen umfassen die Erhöhung der Strömung von Wasserstoff und/oder die Erhöhung der Kathodenstöchiometrie.
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Brennstoffzellenspannungen und der HFR der Brennstoffzellen werden typischerweise durch Überwachen von Subsystemen gemessen, die einen Draht aufweisen, der mit jeder Bipolarplatte in dem Stapel und mit Endplatten des Stapels verbunden ist. Daher weist ein Stapel mit 400 Zellen 401 mit dem Stapel verbundene Drähte auf. Aufgrund der Größe der Teile, der Toleranzen der Teile, der Anzahl der Teile, etc. kann es unpraktisch sein, eine physikalische Verbindung mit jeder Bipolarplatte in einem Stapel mit diesen vielen Brennstoffzellen bereitzustellen. Daher besteht in der Technik ein Bedarf nach einem System und Verfahren zum Messen der Zellenspannung und des HFR ohne Erfordernis von mit jeder Bipolarplatte verbundenen Drähten.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein System zum kommunizieren von Messdaten von jeder Brennstoffzelle oder einer Gruppe von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel offenbart. Das System umfasst eine Mehrzahl von Brennstoffzellen und eine Mehrzahl von Stapelplatten, wobei eine Stapelplatte zwischen jeder Brennstoffzelle und an jedem Ende des Stapels vorgesehen ist. Das System weist auch eine Mehrzahl von eingebetteten Smartplatten auf, wobei jede eingebettete Smartplatte mechanisch und elektrisch mit zumindest einer der Mehrzahl von Stapelplatten in dem Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, und jede eingebettete Smartplatte optische Transceiver an der Oberseite und der Unterseite der eingebetteten Smartplatten aufweist. Das System weist ferner eine erste und zweite Aggregatorvorrichtung auf, wobei die erste und zweite Aggregatorvorrichtung zumindest einen optischen Transceiver zur Kommunikation mit der eingebetteten Smartplatte benachbart der ersten oder zweiten Aggregatorvorrichtung aufweist, wobei eine Aggregatorvorrichtung eine Kommunikation mit den eingebetteten Smartplatten auslöst und die andere Aggregatorvorrichtung die Kommunikation beendet.
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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 eine Draufsicht eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstapel aufweist, der eine Mehrzahl von Brennstoffzellen und eingebettete Smartplatten besitzt;
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2 ist ein vereinfachtes Blockschaubild von einer der eingebetteten Smartplatten, wie in 1 gezeigt ist;
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3 ist ein Flussdiagramm, wie eine Aggregatorvorrichtung eine Kommunikation auslöst und die Lage und Daten, wie durch jede der Smartplatten, wie in 1 gezeigt ist, gesammelt werden, bestimmt; und
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4 ist eine Draufsicht eines Brennstoffzellensystems mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, eingebetteten Smartplatten und zwei Aggregatorvorrichtungen zum Sammeln von Lage- und Messdaten für die Smartplatten in dem Stapel.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und Verfahren zur Verwendung einer Aggregatorvorrichtung an jedem Ende des Stapels zur Bestimmung gemessener Parameter der Brennstoffzellen oder einer Gruppe von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel unter Verwendung eines optischen Signals gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Gebräuche zu beschränken.
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1 ist eine Draufsicht eines Systems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 14 aufweist. Obwohl es aus Gründen der Klarheit nicht gezeigt ist, weist jede Brennstoffzelle 14 eine Brennstoffzellenmembran, eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht und eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht auf, wie dem Fachmann leicht offensichtlich ist. Stapelplatten 20 sind ebenfalls Teil des Systems 10, wie eine Bipolarplatte zwischen jeder Brennstoffzelle 14 und eine Unipolarplatte an jedem Ende des Stapels 12, wobei die Seite der Stapelplatte 20, die zu der anodenseitigen Diffusionsmediumschicht weist, anodenseitige Reaktandengasströmungskanäle (nicht gezeigt) aufweist, und die Seite der Stapelplatte 20, die zu einer benachbarten Brennstoffzelle 14 weist, Kathodenreaktandengasströmungskanäle (nicht gezeigt) aufweist. Zusätzlich weisen die Stapelplatten 20 Kühlfluidströmungskanäle (nicht gezeigt) auf.
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In einem Brennstoffzellenstapel, der in Reihe aufgrund der Topologie und Geometrie der Brennstoffzellen in dem Stapel gemessen wird, ist es erwünscht, gewisse Parameter für den Zweck der Steuerung des Betriebs des Stapels zu messen. Derartige Parameter können das Spannungspotential über einzelne Zellen oder Gruppen von Zellen, die Temperatur an gewissen Punkten innerhalb des Stapels oder beliebige andere quantifizierbare Parameter aufweisen, die durch ein elektrisches Signal oder einen numerischen Wert, wie einen Hochfrequenzwiderstand (HFR) dargestellt werden können.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Messwert, wie die Spannung oder der HFR jeder Brennstoffzelle 14 oder einer Gruppe von Brennstoffzellen 14, durch eine eingebettete Smartplatte (ESP von engl.: ”embedded smart plate”) 30 gemessen. Jede ESP 30 weist eine ESP-Leiterplatte 32, wie nachfolgend detailliert beschrieben ist, und zumindest einen Verbinder 28 zum Verbinden der ESP-Leiterplatte 32 mit einer der Stapelplatten 20 auf. Somit sind die ESPs 30 in dem Stapel analog zu dem Stapel 12 in einer Spaltenanordnung angeordnet und möglicherweise darin eingebettet, so dass jede ESP-Leiterplatte 32 in dem Stapel 12 unmittelbar oberhalb oder unterhalb jeder Leiterplatte 32 benachbart dazu angeordnet ist.
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Wenn die ESPs 30 in den Zellen 14 des Stapels 12 eingebettet sind und/oder durch die Zellen 14 des Stapels 12 angetrieben werden, ist eine Kommunikation mit den ESPs 30, während eine elektrische Isolation zwischen den ESPs 30 und einer Steuervorrichtung, wie einer Aggregatorvorrichtung 40 (nachfolgend diskutiert) beibehalten wird, notwendig, da der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 12 ein großes Gleichtaktspannungspotential zwischen dem Stapel 12 und der Aggregatorvorrichtung 40 erzeugen kann. Um die notwendige elektrische Isolation aufrechtzuerhalten, verwendet die vorliegende Erfindung die Aggregatorvorrichtung 40. Die ESP 30 benachbart der Aggregatorvorrichtung 40 stellt den Startpunkt zur Kommunikation dar. Die Aggregatorvorrichtung 40 ist an irgendeiner Stelle innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12, typischerweise an einem Ende, angeordnet, um die Lage und die gemessenen Werte jeder Brennstoffzelle 14 oder einer Gruppe von Brennstoffzellen 14 in dem Stapel 12 anzufordern und zu koordinieren.
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Jede ESP 30 ist mechanisch und elektrisch mit zumindest einer der Stapelplatten 20 verbunden, wodurch der ESP-Leiterplatte 32 ein Empfang parasitärer Betriebsleistung von und eine Messung verschiedener gemessener Werte, wie der Spannung der Brennstoffzelle 14 oder Gruppe von Brennstoffzellen 14, die der Stapelplatte 20 entspricht, mit der die Leiterplatte 32 verbunden ist, ermöglicht werden. Das System 10 zeigt eine ESP 30, die mit jeder zweiten Stapelplatte 20 in dem Brennstoffzellenstapel 12 verbunden ist, wodurch erforderlich wird, dass jede ESP 30 die Spannung beispielsweise von zwei Brennstoffzellen 14 in dem Stapel 12 misst. In einer alternativen Ausführungsform kann jede ESP 30 elektrisch mit fünf aufeinander folgenden Stapelplatten 20 unter Verwendung verschiedener Verbindungsvorrichtungen elektrisch gekoppelt sein, wodurch die Bestimmung des gemessenen Wertes von vier Brennstoffzellen 14 durch eine einzelne ESP 30 ermöglicht wird. Jede der ESP-Leiterplatten 32 weist auch optische Transceiver 34 auf, die an der geometrischen oberen Fläche und der unteren Fläche der Leiterplatte 32 montiert sind. Die optischen Transceiver 34 werden zum Senden und Empfangen von Information über modulierte Signale verwendet, die zwischen den ESPs 30 übertragen werden können, wie nachfolgend detailliert beschrieben ist.
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Die Aggregatorvorrichtung 40, die eine Variation der ESP-Leiterplatte 32 ist, empfängt ihre Betriebsleistung von einer Batterie 42 anstelle von einer Brennstoffzelle 14, wodurch eine galvanische Trennung zwischen den ESPs 30 und der Aggregatorvorrichtung 40 aufrechterhalten wird, ohne dass der Gebrauch teurer elektrischer Isolationskomponenten erforderlich wird. Die Aggregatorvorrichtung 40 löst eine Kommunikation mit der ersten ESP 30 in dem Brennstoffzellenstapel 12 unter Verwendung der optischen Transceiver 34 aus, die an der Aggregatorvorrichtung 40 angeordnet sind, um die Lage der ersten ESP 30 in dem Stapel 12 zu ermitteln und beispielsweise die minimal gemessene Spannung der Brennstoffzelle 14 oder Gruppe von Brennstoffzellen 14, die der/den Stapelplatte(n) 20 zugeordnet ist, mit der/den die erste ESP 30 verbunden ist/sind, zu sammeln. Mit jeder ESP 30 in dem Stapel 12 wird kommuniziert, um die Lage und die minimale Zellenspannung jeder Brennstoffzelle 14 in dem Stapel 12 in einer Kettenfolge, d. h. in Reihe, unter Verwendung beispielsweise eines 9/N/1-Protokolls zu bestimmen, bis die Lage und die minimale Zellenspannung aller Brennstoffzellen 12 in dem Stapel 10 bekannt sind. Andere Messungen der Brennstoffzellen 14 können ebenfalls in dem Stapel ausgeführt werden, beispielsweise der gemessene HFR jeder Brennstoffzelle 14. Auf diese Art und Weise kommuniziert das ESP 30 in Verbindung mit der Aggregatorvorrichtung 40 die Lage- und Messinformation jeder Brennstoffzelle 14 in dem Stapel 12 an die Aggregatorvorrichtung 40, die dann die Lage- und Messinformation an ein Steuersystem 44 kommunizieren kann.
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2 ist ein vereinfachtes Blockschaubild des ESP 30, das eine Mehrzahl elektronischer Komponenten aufweist, die verbunden sind, um die ESP-Leiterplatte 32 zu bilden. Jede Leiterplatte 32 weist einen DC-DC-Wandler 52 mit niedriger Eingangsspannung auf, der einen kleinen Leistungsbetrag von der Brennstoffzelle 14 oder der Gruppe von Brennstoffzellen 14 in eine stabile und verwendbare Betriebsspannung für die ESP-Leiterplatte 32 umwandelt. Die Leiterplatte 32 weist auch einen Analog/Digital-Wandler 54 auf, der den Differenzspannungswert der Brennstoffzelle 14 oder der Gruppe von Brennstoffzellen 14 (nachfolgend den ”gemessenen Wert”) in einen numerischen Wert umwandelt, der von einem Mikroprozessor 56 verarbeitet und kommuniziert werden kann, der elektrisch mit den optischen Transceivern 34 gekoppelt ist, wodurch eine Kommunikation mit benachbarten ESPs 30 und/oder der Aggregatorvorrichtung 40 ermöglicht wird. Der Mikroprozessor 56 kann auch bestimmen, welche der Zellen die minimale Zellenspannung oder die maximale Zellenspannung aufweist, wie auch andere ergänzende Daten (wie seinen eigenen Betriebsstatus), was ebenfalls über die optischen Transceiver 34 kommuniziert werden kann. Ferner weist die ESP-Leiterplatte 32 eine Spannungsreferenz 58 auf, die eine stabile Spannung erzeugt, so dass die erzeugte stabile Spannung mit dem gemessenen Wert durch den Analog/Digital-Wandler 54 verglichen werden kann. In einer nicht beschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Spannungsreferenz 58 und der Analog/Digital-Wandler 54 in dem Mikroprozessor 56 integriert sein.
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Wie in 2 gezeigt ist, besitzt jede der ESP-Leiterplatten 32 zwei der Verbinder 28 zum Verbinden der Leiterplatte 32 mit der Stapelplatte 20. Jedoch erkennt der Fachmann, dass eine Vielzahl von Konstruktionen zur Verbindung der Leiterplatte 32 mit der Stapelplatte 20 ohne Abweichung von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
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Wie oben erwähnt ist, weist jede ESP-Leiterplatte 32 auch optische Transceiver 34 an dem Oberteil und dem Unterteil der Leiterplatte 32 auf, um eine Datenkommunikation zu und von benachbarten ESPs 30 und der Aggregatorvorrichtung 40 zu ermöglichen. Die Aggregatorvorrichtung 40 weist auch optische Transceiver 34 zur Kommunikation mit den ESPs 30 auf. Jeder der optischen Transceiver 34 umfasst einen optischen Sender 36, wie Licht emittierende Dioden (LEDs), und einen optischen Empfänger 38, wie Halbleiterlichtdetektoren, Phototransistoren oder Photodioden, zum Senden und Empfangen von Information. Die optischen Transceiver 34 von jeder ESP-Leiterplatte 32 und jeder Aggregatorvorrichtung 40 sind zur optischen Signalkommunikation ausgerichtet. Genauer ist der optische Sender 36 einer ersten ESP-Leiterplatte 32 mit dem optischen Empfänger 38 einer zweiten ESP-Leiterplatte 32 ausgerichtet, und umgekehrt, so dass die erste und zweite ESP-Leiterplatte 32 in der Lage sind, optische Information hin und her zu senden, wie in 1 gezeigt ist.
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Die optischen Sender 36 und die optischen Empfänger 38 sind so gewählt, dass ihr jeweiliges spektrales Emissionsvermögen und ihre Sensitivität so angepasst und angeordnet sind, dass der optische Sender 36 an der oberen Seite einer zentralen ESP 30 direkt auf den photosensitiven Bereich des optischen Empfängers 38 der nächsthöheren ESP 30 in dem Stapel unmittelbar oberhalb der zentralen ESP 30 scheint. umgekehrt scheint die Orientierung des unteren optischen Senders 36 an der zentralen ESP 30 direkt auf den optischen Empfänger 38 an der oberen Seite der nächstniedrigeren ESP 30 in dem Stapel unmittelbar unterhalb der zentralen ESP 30. Daten, die über LED/Detektoren der optischen Transceiver 34 durch die jeweiligen Mikroprozessoren zum Senden und Empfangen von ESP 30 ausgetauscht werden, wie oben beschrieben ist, sind in Pakete von Datenbits organisiert, wobei jedes Datenbit durch einen Lichtimpuls repräsentiert ist, und der Abstand der Impulse den Wert des Datenbits bestimmt. Dieses Kommunikationsverfahren kann eine Impulspositionsmodulation (PPM von engl.: ”pulse position modulation”) sein, wie es dem Fachmann leicht offensichtlich ist. Alle Transceiver 34 der ESP-Leiterplatten 32 sind so ausgerichtet, um eine Kommunikation zu ermöglichen, da die ESPs 30 in dem Stapel 12 in einer Spaltenanordnung ausgerichtet sind, wie oben diskutiert ist.
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In der Technik existieren viele Vorgehensweisen, bei denen das optische Signal von den optischen Transceiver 34 eine Angabe gemessener Werte bereitstellen kann, wie Spannungspotential, HFR oder andere ergänzende Daten (beispielsweise den Betriebszustand der Leiterplatte 32). Beispielsweise kann in einer Analogversion die Intensität des Lichts von dem optischen Sender 36 eine Angabe des Spannungspotentials sein, wobei das optische Signal proportional zu der Spannung ist. Wie oben diskutiert ist, kann die Leiterplatte 32 einen Spannungsregler, wie den DC/DC-Wandler 52, aufweisen, um die Spannung in einen Pegel umzuwandeln, der durch die optischen Transceiver 34 verwendbar ist. Auch kann die ESP-Leiterplatte 32 den Analog/Digital-Wandler 54, wie oben diskutiert ist, aufweisen, um ein digitales optisches Signal zu erzeugen, das frequenzmoduliert ist, um die gemessenen Werte zu codieren.
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Die meisten optischen Transceiver, wie LEDs, besitzen eine minimale Vorwärtsspannung von etwa 1,2 Volt, was diese zum Messen einer einzelnen Zellenspannung unpraktisch macht. Somit kann die ESP-Leiterplatte 32 auch einen Miniatur-Aufwärtswandler aufweisen, um die gemessene Spannung zu verstärken. Die Rückkopplungsschleife des Aufwärtswandlers kann so ausgelegt sein, dass ihr Ausgangsstrom der Eingangsspannung folgt, wodurch zugelassen wird, dass die Intensität der optischen Transceiver 34 mit den gemessenen Werten variiert.
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3 ist ein Flussdiagramm 60, das zeigt, wie das System 10 die Zellenspannung von jeder der Brennstoffzellen 14 oder einer Gruppe der Brennstoffzellen 14 in dem Stapel 12 messen und kommunizieren kann. Bei Aktivierung löst die Aggregatorvorrichtung 40 bei Kasten 62 ein Protokoll für die erste ESP 30 in dem Stapel 12 aus. Die Aggregatorvorrichtung 40 bestimmt die sequentielle Position der z-Achse der ersten ESP 30 durch Kommunikation über die optischen Transceiver 34 an der Aggregatorvorrichtung 40 und der ESP-Leiterplatte 32 der ersten ESP 30, die so ausgerichtet sind, dass die Signale von dem optischen Sender 36 der Aggregatorvorrichtung 40 direkt an den optischen Empfänger 38 des optischen Transceivers 34 der ersten ESP 30 kommuniziert werden. Jede ESP 30 kommuniziert dann bei Kasten 64 mit der nächsten ESP 30 in der Spaltenanordnung in einer Kettenfolge, d. h. durch Kommunikation durch jede der ESP 30 in Serie durch Verwendung der optischen Transceiver 34, die an dem Oberteil und Unterteil von jeder der ESP-Leiterplatten 32 der ESPs 30 in dem Stapel 12 angeordnet sind. Die optischen Transceiver 34 von jeder der ESPs 30 sind in einer Spaltenanordnung ausgerichtet, um Information an jede benachbarte ESP 30 unter Verwendung der optischen Transceiver 34 zu senden und von diesen zu empfangen, wie oben beschrieben ist. Somit kann die sequentielle Position der z-Achse jeder ESP 30 in dem Brennstoffzellenstapel 12 bestimmt werden. Anschließend kann die sequentielle Position der z-Achse jeder ESP 30 in dem Stapel 12 bei Kasten 66 dazu verwendet werden, jede ESP 30 zu adressieren und den gemessenen Wert jeder ESP 30 festzustellen, der von jeder der ESPs 30 unter Verwendung der optischen Transceiver 34 kommuniziert wird.
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Beispielsweise kann während des Normalbetriebs jede ESP 30 die durch die Brennstoffzelle 14 erzeugte Spannung und genauer die Spannung, die durch die Brennstoffzellenmembran, die über die Stapelplatten 20 vorhanden ist, erzeugt wird, kontinuierlich messen. Wenn die Aggregatorvorrichtung 40 eine Anforderung für gemessene Spannung bei Kasten 68 an die ESPs 30 über die optischen Transceiver 34 sendet, kommunizieren die ESPs 30 die gemessene Spannung bei Kasten 70 unter Verwendung digitaler Nachrichtenübermittlung über die optischen Transceiver 34. Auf diese Weise bilden die ESPs 30 und ihre optischen Transceiver 34 ein gebusstes Datenübertragungssystem.
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Bei einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die ESPs 30 einen echten Mehrpunkt-Optikbus verwenden, um die Zuverlässigkeit zu verbessern, wie durch Verwendung einer Konstruktion, die eine Hohllichtleitertechnologie verwendet. Somit unterbricht der Ausfall einer einzelnen ESP 30 die Übertragung gemessener Werte und anderer Daten zu und von den ESPs 30 nicht, die an sequentiellen Positionen der z-Achse distal zu dem Steuersystem 44 angeordnet sind.
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4 ist ein Blockschaubild eines Systems 80 ähnlich dem System 10, wobei gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Das System 80 weist zwei Aggregatorvorrichtungen 40 auf, die mit komplementären optischen Transceiver 34 ausgestattet sind, um die optischen Transceiver 34 der obersten und untersten ESPs 30 anzupassen, die an den Enden des Stapels der ESPs 30 freiliegen. Die Aggregatorvorrichtungen 40 sind zusätzlich mit einem Mikroprozessor 56 ausgestattet, der elektrisch mit den optischen Transceivern 34 gekoppelt ist und der elektrisch mit einem externen Steuersystem, wie dem Steuersystem 44, gekoppelt sein kann. Die Mikroprozessoren 56 der Aggregatorvorrichtungen 40 an jedem Ende des Stapels der ESPs 30 sind an einer Leitung 86 elektrisch gekoppelt, so dass ein Aggregator als ein Kommunikations-”Master” wirkt und der andere als ein Kommunikations-”Subordinate” wirkt, wie nachfolgend detailliert beschrieben ist.
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Wie oben diskutiert ist, sind die Aggregatorvorrichtungen 40 an jedem Ende des Stapels 12 so angeordnet, dass eine Kommunikation der gemessenen Werte angefordert und koordiniert werden kann. Eine Anforderung kann von Kommunikationen vom Hochfrequenz-(RF)- oder Hochfrequenzidentifikations-(RFID)-Typ von einer externen Vorrichtung, wie dem Steuersystem 44, stammen. Zusätzlich kann eine kapazitive Kopplung dazu verwendet werden, digitale Daten zwischen benachbarten ESPs 30 zu kommunizieren, wodurch eine galvanische Isolierung durch Blockieren einer DC-Spannung und Durchlassen einer AC-Spannung bereitgestellt wird.
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Wie oben diskutiert ist, kann bei der nicht beschränkenden Ausführungsform von 4 das System 80 mit den Aggregatorvorrichtungen 40 an dem Oberteil und dem Unterteil des Stapels 12 ausgestattet sein. Eine der Aggregatorvorrichtungen 40 wirkt als ein ”Master”-Aggregator 82, und die andere Aggregatorvorrichtung 40 wirkt als ein ”Subordinate”-Aggregator 84. Der Master-Aggregator 82 löst eine Kommunikation durch Ausgeben einer Anweisung (in der Form eines Impulspositionsmodulations-(PPM)-Pakets) an die ESP 30 benachbart des Master-Aggregators 82 über den optischen Sender 34 an der unteren Seite des Master-Aggregators 82 aus.
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Die ESP 30 benachbart dem Master-Aggregator 82 empfängt die Kommunikation über den optischen Empfänger 34, der an der Oberseite der ESP 30 angeordnet ist. Die ESP 30 benachbart dem Master-Aggregator 82 führt dann die Anweisung, die von dem Master-Aggregator 82 ausgegeben wird, aus, was ein Abfangen eines Messwerts oder ein Substituieren von Messdaten in die Datennutzlast bzw. -Payload des PPM-Pakets umfassen kann.
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Nach der Ausführung der Anweisung von dem Master-Aggregator 82 durch die benachbarte ESP 30 versucht die ESP 30 benachbart dem Master-Aggregator 82, d. h. die erste ESP 30, die Anweisung (möglicherweise mit modifizierter Nutzlast) an die nächste ESP 30 in der Spaltenanordnung, d. h. die zweite ESP 30, auszugeben. Somit führt die oberste ESP 30 die von dem Master-Aggregator 82 ausgegebene Anweisung aus, was ein Abfangen eines Messwertes oder ein Substituieren von Messdaten in die Datennutzlast des PPM-Pakets aufweisen kann. Nach der Ausführung der Anweisung versucht die oberste ESP 30, die Anweisung (möglicherweise mit modifizierter Nutzlast) an die nächste ESP 30 auszugeben, wobei sich längs ”weg” von der ESP 30 entlang des Stapels von der ESPs bewegt wird. Dieser Prozess der Kommunikation fährt zu jeder ESP 30 in dem Stapel 12 fort, bis der Zyklus aus Anweisungsausgabe, Anweisungsbestätigung und Anweisungsausführung durch alle ESPs 30 in dem Stapel 12 wiederholt ist.
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Das System 80 verwendet ESPs 30 an jeder zweiten Stapelplatte 20, wodurch jede ESP 30 in dem System 80 eine Gruppe von zwei Brennstoffzellen 14 in dem Stapel 12 misst. Beispielsweise kommuniziert der Master-Aggregator 82 seine Spannung, und die erste ESP 30 misst die Gesamtspannung und subtrahiert die Spannung des Master-Aggregators 82, um den gemessenen Spannungswert der Gruppe von Zellen 14 zu bestimmen, die der ersten ESP 30 zugeordnet sind. Die erste ESP 30 kann dann den Gesamtwert und ihren Wert kommunizieren, und die zweite ESP 30 kann den Gesamtwert, der durch die erste ESP 30 kommuniziert ist, subtrahieren, um den gemessenen Spannungswert der Gruppe von Zellen 14, die der zweiten ESP 30 zugeordnet sind, zu bestimmen. Wenn eine Minimalspannungsanforderung durch das Steuersystem 44 gesendet wurde, bestimmt die zweite ESP 30, ob die gemessene Spannung der zweiten ESP 30 kleiner als die gemessene Spannung der ersten ESP 30 ist. Wenn dies der Fall ist, kommuniziert die zweite ESP 30 den gesamten gemessenen Wert, der den gemessenen Wert der Gruppe von Brennstoffzellen 14, die der zweiten ESP 30 zugeordnet sind, und den Wert der gemessenen Spannung der Gruppe von Zellen 14 aufweist, die der zweiten ESP 30 zugeordnet ist, als den minimalen Spannungswert, der so weit in dem Stapel 12 aufgezeichnet ist, an eine dritte ESP 30 in dem Stapel 12. Jede ESP 30 wiederholt den Prozess, wie oben in Bezug auf die zweite ESP 30 beschrieben ist, bis alle Spannungswerte der Gruppen der Brennstoffzellen 14 bekannt sind und die Gruppe von Brennstoffzellen 14 mit der minimalen Spannung identifiziert worden ist.
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Nachdem die unterste ESP 30 in dem Stapel 12 die Anweisung ausführt, gibt sie die Anweisung (möglicherweise mit modifizierter Nutzlast) an den Subordinate-Aggregator 84 aus. Der Subordinate-Aggregator 84 empfängt die Anweisung und überträgt eine Erfolgsnachricht an den Master-Aggregator 82 über die elektrische Kopplung an der Leitung 86.
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Während die obige nicht beschränkende Ausführungsform den Master-Aggregator 82 an dem Oberteil des Stapels 12 und den Subordinate-Aggregator 84 an dem Unterteil des Stapels 12 verwendet, kann die Lage des Master-Aggregators 82 und des Subordinate-Aggregators 84 an jedem Ende des Stapels 12 austauschbar angeordnet sein.
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Gemäß der nicht beschränkenden Ausführungsform, die in 4 beschrieben ist und den Master-Aggregator 82 und den Subordinate-Aggregator 84 aufweist, kann eine ausgefallene oder funktionsunfähige ESP 30, die den Fluss des Zyklus aus Anweisungsausgabe, Anweisungsbestätigung und Anweisungsausführung unterbricht, überwunden werden. Wenn beispielsweise eine ESP 30 ausgefallen ist oder funktionsunfähig ist, wird diese ESP 30 die Anweisung, die durch den Master-Aggregator 82 oder die ESP 30 benachbart der ausgefallenen ESP 30, wenn anwendbar, ausgegeben worden ist, nicht bestätigen. Wenn dies stattfindet und der Anweisungsausgeber eine ESP 30 in dem Stapel 12 ist, kann die die Anweisung an die ausgefallene ESP 30 ausgebende ESP 30 die Kommunikationsrichtung dadurch umkehren, dass die Anweisung (oder eine modifizierte Anweisung, um den Fehler anzugeben) an die ESP 30 ausgegeben wird, von der die Anweisung ursprünglich empfangen wurde.
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Die Umkehr der Kommunikationsrichtung der ESPs 30 erlaubt ein Zurückschalten der Anweisung oder modifizierten Anweisung an die Aggregatorvorrichtung 40, die die Anweisung hervorgebracht hat, wodurch die Detektion des Fehlers ermöglicht wird.
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In dem Fall, dass der Master-Aggregator 82 die Anweisung hervorgebracht hat und ein Kommunikationsfehler detektiert ist, kann der Master-Aggregator 82 eine Nachricht unter Verwendung der Leitung 86 übertragen, um anzufordern, dass der Subordinate-Aggregator 84 die Anweisung an die ESP 30 benachbart dem Subordinate-Aggregator 84 an dem gegenüberliegenden Ende des Stapels 12 ausgibt, wodurch ermöglicht wird, dass der Stapel 12 von beiden Enden abgefragt wird. Auf diese Art und Weise kann das System 80 einen Verlust von Messdaten von einem Anteil des Stapels 12 aufgrund einer einzelnen ausgefallenen oder funktionsunfähigen ESP 30 verhindern.
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Bei einer anderen nicht beschränkenden Ausführungsform kann ein zusätzliches Paar optischer Transceiver 34 an den oberen und unteren Flächen jeder ESP 30 in dem Stapel 12 angebracht sein. Jede ESP 30 ist auch mit Durchbrechungen in abwechselnden geometrischen Stellen ausgestattet, so dass PPM-Pakete ”um” eine ausgefallene oder funktionsunfähige ESP 30 gelenkt werden können. Durch diese Art und Weise kann der Verlust von Messdaten von einem Anteil des Stapels 12 aufgrund der Anwesenheit von zwei ausgefallenen oder funktionsunfähigen ESPs 30 in dem Stapel 12 verhindert werden, vorausgesetzt, dass sich die ausgefallenen oder funktionsunfähigen ESPs 30 nicht unmittelbar benachbart zueinander in dem Stapel 12 befinden.
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Bei einer anderen nicht beschränkenden Ausführungsform können die optischen Sender 36 und die optischen Empfänger 38 der optischen Transceiver 34 an jeder der ESPs 30 verschiedene spektrale Emissionen bzw. Ansprechen besitzen und können für ”aufwärts beschränkte” und ”abwärts beschränkte” PPM-Pakete verwendet werden. Auf diese Weise kann das Übersprechen zwischen den optischen Transceivern 34, die an den ESPs 30 angeordnet sind, die sich in enger physikalischer Nähe zueinander in dem Stapel befinden, minimiert oder beseitigt 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.
