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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren für die Quantifizierung der Funktionsfähigkeit von Brennstoffzellenmembranen über die Lebensdauer der Membranen und insbesondere auf ein Verfahren zum Bestimmen eines ”cross-over”-parasitären Stroms und eines Kurzschlusswiderstandes der Membranen, um die Funktionsfähigkeit der Brennstoffzellen zu bestimmen.
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2. Diskussion des Standes der Technik
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Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er regenerativ ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu produzieren. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode beinhaltet, zwischen denen ein Elektrolyt angeordnet ist. Die Anode erhält Wasserstoffgas und die Kathode erhält Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyten zu der Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode und erzeugen dabei Wasser. Die Elektronen können von der Anode nicht durch den Elektrolyten gelangen. Dementsprechend werden sie über eine Last geleitet, um Arbeit auszuführen, bevor sie an die Kathode gelangen.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (Proton exchange membrane fuel cells, PEMFC) sind populäre Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Eine PEMFC beinhaltet im Allgemeinen eine feste Polymerelektrolytenprotonen-leitende Membran, so zum Breispiel eine Membran aus einer Perfluorsulfonsäure. Die Anode und die Kathode beinhalten typischerweise fein verteilte Katalysatorteilchen, gewöhnlicherweise Platin (Pt), verteilt auf Kohlenstoffpartikeln und vermischt mit einem Ionomer. Die Katalysatormischung ist an entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der Anoden-Katalysatormischung, der Kathoden-Katalysatormischung und der Membran definieren eine Membran-Elektrodenanordnung (MEA). MEAs erfordern eine adäquate Brennstoffversorgung und eine Befeuchtung für den effektiven Betrieb.
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Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu generieren. Der Brennstoffzellenstapel erhält ein Kathodeneingangsgas, wobei typischerweise ein Luftfluss mittels eines Kompressors durch den Stapel geleitet wird. Von dem Stapel wird nicht der gesamte Sauerstoff aufgebraucht und einiges an Luft wird als Kathodenabgas ausgelassen, wobei das Kathodenabgas Wasser als ein Stapelabfallprodukt beinhalten kann. Der Brennstoffzellenstapel erhält auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels fließt.
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Ein Brennstoffzellenstapel weist typischerweise eine Reihe von bipolaren Platten auf, die zwischen die mehreren MEAs in dem Stapel angeordnet sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Die bipolaren Platten beinhalten eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengasflusskanäle sind auf der Anodenseite der bipolaren Platten bereitgestellt, die es erlauben, dass das Anodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Kathodengasflusskanäle sind auf der Kathodenseite der bipolaren Platten bereitgestellt, die es erlauben, dass das Kathodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Eine Endplatte beinhaltet Anodengasflusskanäle und die andere Endplatte beinhaltet Kathodengasflusskanäle. Die bipolaren. Platten und Endplatten bestehen aus einem leitfähigen Material, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl oder einem leitfähigen Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die Elektrizität, die von den Brennstoffzellen generiert wurde, aus dem Stapel heraus. Die bipolaren Platten beinhalten des Weiteren Flusskanäle, durch welche ein Kühlmittel fließt.
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Die MEAs sind permeabel und gestatten deswegen, dass Stickstoff in der Luft von der Kathodenseite des Stapels durch die MEA wandert und sich an der Anodenseite des Stapels sammelt, was oft als Stickstoff-”Cross-Over” bezeichnet wird. Obwohl der anodenseitige Druck geringfügig größer sein kann als der kathodenseitige Druck, verursachen die kathodenseitigen Partialdrücke, dass Sauerstoff und Stickstoff durch die Membran wandert. Der gewanderte Sauerstoff verbrennt im Beisein des Anodenkatalysators, wohingegen der gewanderte Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels sich im Wasserstoff löst. Wenn die Stickstoffkonzentration über einen gewissen Prozentsatz ansteigt, beispielsweise über 50%, können Brennstoffzellen in dem Stapel an Wasserstoff erschöpft sein. Falls die Anode an Wasserstoff erschöpft ist, kann der Brennstoffzellenstapel versagen adäquate elektrische Leistung zu produzieren und kann den Elektroden in dem Brennstoffzellenstapel Schaden zufügen.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, ein Entlüftungsventil am Anodenabgasauslass des Brennstoffzellenstapels anzuordnen, um den Stickstoff aus der Anodenseite des Stapels abzulassen. Ferner ist es aus dem Stand der Technik bekannt, den Molenbruch an Stickstoff in der Anodenseite mit einer Modellrechnung abzuschätzen, um zu bestimmen, wann die Entlüftung der Anodenseite oder des Anodensubsystems zu erfolgen hat. Die Modellabschätzung kann allerdings fehlerbehaftet sein, insbesondere, weil mit der Zeit eine Alterung der Komponenten des Brennstoffzellensystems erfolgt. Wenn die Abschätzung des anodenseitigen Stickstoffmolenbruchs signifikant größer ist als der tatsächliche Stickstoffmolenbruch, wird aus dem Brennstoffzellensystem mehr Anodengas als nötig abgelassen, das heißt es wird Brennstoff vergeudet. Wenn die Abschätzung des anodenseitigen Stickstoffmolenbruchs signifikant niedriger ist als der aktuelle Stickstoffmolenbruch, dann wird nicht genug Anodengas abgelassen und es können zu wenig Recktanten in der Brennstoffzelle vorliegen, was zur Beschädigung der Elektroden in dem Brennstoffzellenstapel führen kann.
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Demzufolge besteht ein Bedürfnis, die Funktionsfähigkeit der Membranen in einem Brennstoffzellenstapel über die gesamte Lebensdauer des Stapels zu bestimmen, um einen Stapelausfall auf Grundeinzelner Vorfälle oder gleichförmiger Membranalterung zu identifizieren. Darüber hinaus würde ein Verständnis für die Membranfunktionsfähigkeit die Entwicklung haltbarerer Membranen für Brennstoffzellen unterstützen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung der Funktionsfähigkeit von Membranen in einem Brennstoffzellenstapel offenbart. Der gesamte parasitäre Strom der Brennstoffzellen in dem Stapel wird bestimmt. Aus dem gesamten parasitären Strom werden der Kurzschlusswiderstand und der ”cross-over”-parasitäre Strom bestimmt. Die Funktionsfähigkeit der Membranen wird dann aus dem ”cross-over”-parasitären Strom und dem Kurzschlusswiderstand bestimmt.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren offenbar.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle;
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2 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems;
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3 ist ein Graph, bei dem auf der x-Achse der Wasserstoff in der Anode in Prozent und auf der y-Achse der gesamte parasitäre Strom in mA/cm2 aufgetragen ist; und
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4 ist ein Flussdiagramm eines Algorithmus für das Quantifizieren der Membranfunktionsfähigkeit.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Quantifizieren der Funktionsfähigkeit einer Brennstoffzellmembran über die Lebensdauer der Membran gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen zu begrenzen.
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1 ist eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle 10, die Teil eines Brennstoffzellenstapels der unten erwähnten Art ist. Die Brennstoffzelle 10 beinhaltet eine Kathodenseite 12 und eine Anodenseite 14, die durch eine Perfluorsulfonsäure-Membran 16 getrennt sind. Eine Kathodenseiten-Diffusionsmedienschicht 20 ist an der Kathodenseite 12 angeordnet und eine Kathodenseiten-Katalysatorschicht 22 ist zwischen der Membran 16 und der Diffusionsmedienschicht 20 angeordnet. Entsprechend dazu ist eine Anodenseiten-Diffusionsmedienschicht 24 auf der Anodenseite 14 angeordnet und eine Anodenseiten-Katalysatorschicht 26 ist zwischen der Membran 16 und der Diffusionsmedienschicht 24 angeordnet. Die Katalysatorschichten 22 und 26 und die Membran 16 definieren eine MEA. Die Diffusionsmedienschichten 20 und 24 sind poröse Schichten, die den Transport von Eingangsgas zu und den Transport von Wasser aus der MEA bereitstellen. Eine Kathodenseiten-Flussfeldplatte 28 ist auf der Kathodenseite 12 angeordnet und eine Anodenseiten-Flussfeldplatte oder bipolare Platte 30 ist auf der Anodenseite 14 angeordnet.
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2 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 40 mit einem Brennstoffzellenstapel 42. Wasserstoffgas wird von einer Wasserstoffquelle 44 zu der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 42 auf der Leitung 46 geliefert. Ein Anodenabgas wird aus dem Brennstoffzellenstapel 42 über die Leitung 50 abgeführt und in die Leitung 46 rezirkuliert. Ein Entlüftungsventil 56 wird periodisch geöffnet, um Anodenabgas durch eine Entlüftungsleitung 52 zu entlüften, um Stickstoff aus dem Anodensubsystem abzulassen. Ein Drucksensor 60 ist ebenfalls in der Leitung 50 angeordnet, um den Druck des Anodensubsystems des Brennstoffzellensystems 40 zu messen. In einer alternativen Ausführungsform kann der Drucksensor 60 in der Leitung 46 angeordnet sein, was Fachleuten bekannt ist. 2 veranschaulicht ein Beispiel eines Brennstoffzellensystems, das mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Andere Beispiele beinhalten Brennstoffzellensysteme, die ein Split-Stack-Design mit Anodenflussumkehr verwenden.
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Luft aus einem Kompressor 62 wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 42 über die Leitung 64 geliefert. Ein Kathodengas wird aus dem Brennstoffzellenstapel 42 auf einer Kathodengasleitung 66 ausgelassen. Eine Mischvorrichtung 68 ist in der Leitung 66 angeordnet, um das Kathodengas und das entlüftete Anodenabgas aus der Leitung 52 zu mischen.
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Ein Controller 54 überwacht den Druck des Anodensubsystems des Brennstoffzellsystems 40, welcher vom Drucksensor 60 gemessen wird, und regelt die Geschwindigkeit des Kompressors 62, regelt die Injektion von Wasserstoff aus der Wasserstoffquelle 44 an die Anodenseite des Stapels 42 und regelt die Stellung des Anodenentlüftungsventils 56, was im folgenden genauer ausgeführt werden wird. Der Controller 54 verwendet ein Modell, um die Wanderung von Stickstoff aus der Kathodenseite an die Anodenseite durch die Stapelmembranen 16 und die Konzentration an Stickstoff in der Anodenseite des Stapels 42 zu schätzen. Darüber hinaus misst der Controller 54 die Länge der Zeit, die für das Anodensubsystem erforderlich ist, um Atmosphärendruck zu erreichen, nachdem das Brennstoffzellsystem 40 ausgeschaltet worden ist. Der Controller 54 verwendet zudem einen Algorithmus, der den parasitären Strom für die Membranen in dem Stapel 42 quantifiziert, um die Funktionsfähigkeit der Membranen 16 in dem Stapel 42 zu bestimmen, und er bestimmt darüber hinaus, ob der parasitäre Strom von Gasen, die die Membran kreuzen, herrührt oder von Kurzschlussströmen durch die Membran herrührt, was im folgenden genauer diskutiert werden wird.
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Der parasitäre Strom korreliert direkt zur Membranfunktionsfähigkeit. Um Änderungen in der Permeationsrate der Membran 16 zu bestimmen, kann das Druckprofil der Anode nach Abschaltung des Brennstoffzellsystems 40 verwendet werden. Während einer normalen Abschaltung ist die Kathode an Sauerstoff verarmt, was hohe Konzentrationen an Stickstoff und niedrige Konzentrationen an Wasserstoff bei Atmosphärendruck bewirkt. An der Kathode herrscht Atmosphärendruck, da die Kathodenseite des Stapels 42 nicht versiegelt ist. Die Anodenseite des Stapels 42 ist hingegen versiegelt und bleibt bei einer Systemabschaltung versiegelt. Demzufolge weist die Anodenseite des Brennstoffzellstapels 42 eine verdichtete Mischung einer bekannten Menge an Wasserstoff und Stickstoff auf. Sobald das Brennstoffzellensystem 40 in den Auszustand übergeht, oder der Kathodenluftfluss abgeschaltet wird, wird Wasserstoff in der Anodenseite des Stapels 42 schnell durch die Membran 16 in die Kathodenseite des Stapels 42 diffundieren, bis sich der Wasserstoff über die Membran 16 in einem Gleichgewichtszustand befindet. Dies führt zu einem Abfall im Druck in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 42. Daher wird der ”cross-over”-parasitäre Strom vom Druck abhängen, was bedeutet, dass der gesamte parasitäre Strom als eine Funktion des Druckes bestimmt ist.
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Wenn der parasitäre Strom niedrig ist, sind die Membranen funktionsfähig und funktionieren wie erwartet. Die Funktionsfähigkeit der Membranen kann demnach über die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 42 hinweg bestimmt werden. Darüber hinaus kann der parasitäre Strom für jede Membran 16 in dem Stapel 42 durch Messen der Zellspannung jeder einzelner Zelle bestimmt werden oder durch Überwachen der durchschnittlichen Zellspannung und der minimalen Zellspannung bestimmt werden. Des Weiteren kann die Änderung im parasitären Strom der Membranen 16 dazu verwendet werden, zu bestimmen, ob eine schnelle Alterung einer Membran 16 in dem Stapel 42 auftritt, oder, ob die Membranen 16 gleichmäßiger altern.
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Falls, basierend auf den Stapelcharakteristiken bestimmt wird, dass der parasitäre Strom einer oder mehrerer der Membranen 16 groß genug ist, um ein Einzelereignis anzuzeigen, wie zum Beispiel ein Kurzschlussereignis, kann es notwendig sein, den Brennstoffzellenstapel 42 abzuschalten und zu reparieren. Der Controller 56 kann anzeigen, dass eine Wartungsarbeit am Stapel 42 notwendig ist, beispielsweise kann eine Wartung des Stapels 42 notwendig sein, wenn ein vorbestimmter Schwellwert für einen Kurzschlusswiderstand erreicht wird. Der vorbestimmte Schwellwert wird von den Stapelcharakteristiken abhängen, beispielsweise von der Anzahl der Brennstoffzellen in dem Stapel. Wenn allerdings der parasitäre Strom einer oder mehrerer der Membranen 16 kein Kurzschlussereignis anzeigt, das heißt also die Membranen 16 gleichförmig altern, kann der Algorithmus den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 anpassen, um die Alterung der Membranen 16 zu kompensieren. Wenn beispielsweise bestimmt wird, dass ein Wasserstoff-”Cross-Over” vorliegt, das heißt der ”cross-over”-parasitäre Strom in den Membranen 16 zunimmt, kann sich Stickstoff in der Anodenseite des Stapels 42 aufbauen. Unter solchen Umständen kann der Algorithmus den Controller 56 dazu bringen, den Entlüftungs-Zeitplan für die Anodenseite des Stapels 42 anzupassen, um den Aufbau von Stickstoff in der Anodenseite abzulassen, das heißt, der Algorithmus kann dazu führen, dass der Controller 56 den Entlüftungs-Zeitplan für die Anodenseite des Stapels 42 anpasst, falls ein vorbestimmter Schwellwert für einen ”cross-over”-parasitären Strom erreicht wird.
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Ein Testprotokoll wird verwendet, um die Funktionsfähigkeit der Membranen in dem Stapel 42 zu quantifizieren. Das Testprotokoll beinhaltet mehrere Wasserstoff-”Takeover”-Tests, wobei die Konzentration an Wasserstoff in der Anodenseite des Stapels 42 über die Zeit nach unten gefahren wird, die Flussrate an Wasserstoff zu der Anodenseite des Stapels 42 mit einer konstanten Flüssrate aufrecht erhalten wird und die Flussrate von Kathodenluft an die Kathodenseite des Stapels 42 bei jedem Abwärtsschritt in der Wasserstoffkonzentration gestoppt wird. Durch Messen der Zellspannung und der Coulomb-Ladung der Zellen in dem Stapel 42, da die Spannung abfällt, nachdem der Kathodenluftfluss jeweils gestoppt wird, und ein Abwärtsschritt in der Konzentration an Wasserstoff in der Anodenseite des Stapels 42 während des Testprotokolls auftritt, kann der parasitäre Strom der Membranen 16 durch Auftragen der Wasserstoffkonzentration gegenüber dem gesamten parasitären Strom bestimmt werden, wie im folgenden diskutiert wird. Die Zellspannung kann für jede Zelle gemessen werden oder eine mittlere Zellspannung für den Stapel 42 kann während des Testprotokolls bestimmt werden. Eine Minimumzellspannung kann auch gemessen werden, insbesondere wenn eine mittlere Zellspannung gemessen wird.
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Der parasitäre Strom, wie er durch Analysieren des Abfalls in der Zellspannung und der Coulomb-Ladung der Zellen, nachdem der Fluss von Kathodenluft für jeden Abwärtsschritt in der Konzentration von Wasserstoff in der Anodenseite des Stapels 42 gestoppt wurde, bestimmt wird, ist in einem Graphen aufgetragen. 3 ist ein beispielhafter Graph einer solchen Darstellung, mit Prozent an Wasserstoff auf der Anodenseite, aufgetragen auf der x-Achse und dem gesamten parasitären Strom in mA/cm2 auf der y-Achse. Der Betrag an parasitärem Strom, der von einem ”cross-over”-parasitären Strom verursacht wird und der Betrag an parasitärem Strom, der durch einen Kurzschluss-parasitären Strom verursacht wird, oder der Kurzschlusswiderstand wird mittels dem oben beschriebenen Testprotokoll bestimmt. Der Kurzschlusswiderstand wird aus der Stromdichte bestimmt, was Fachleuten bekannt ist. Die Steigung der aufgetragenen Linie auf dem Graphen stellt den ”cross-over”-parasitären Strom pro Prozent Wasserstoff dar, das heißt, den parasitären Strom, verursacht von Anoden- und Kathodengasen, die die Membran kreuzen. Der Achsenabschnitt der Linie stellt den Kurzschlusswiderstand, das heißt ein einzelnes Kurzschlussereignis, dar. Demzufolge kann aus dem gesamten parasitären Strom der Betrag, der ein ”cross-over”-parasitärer Strom und der Betrag, der ein Kurzschlusswiderstand ist, bestimmt werden.
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4 ist ein Flussdiagramm 70 eines Algorithmus für das Quantifizieren der Membranfunktionsfähigkeit. Im Kasten 72 werden mehrere Wasserstoff-Takeover-Tests bei verschiedenen Anodenwasserstoffkonzentrationen gemäß dem oben erläuterten Testprotokoll ausgeführt. Für jede der Wasserstoffkonzentrationen analysiert der Algorithmus einen vorbestimmten Spannungsabfall, nachdem der Fluss von Kathodenluft im Kasten 74 gestoppt wurde. Beispielsweise analysiert der Algorithmus einen Abfall von 100 mV, nachdem der Fluss von Kathodenluft gestoppt wurde, und berechnet den parasitären Strom des Brennstoffzellenstapels 42 basierend auf der Korrelation zwischen Spannungsabfall, Zeit und Druck. Im Kasten 76 erzeugt der Algorithmus eine Darstellung des parasitären Stroms gegenüber den Prozenten an Wasserstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 42. Die Steigung der Linie repräsentiert den ”cross-over”-parasitären Strom und der Achsenabschnitt der Linie repräsentiert den Kurzschlusswiderstand. Demzufolge kann der ”cross-over”-parasitäre Strom und der Kurzschlusswiderstand für die Membranen in dem Stapel 42 aus dem gesamten parasitären Strom, wie mit dem oben beschriebenen Testprotokoll berechnet, bestimmt werden. Mehrere Analysen mit dem oben beschriebenen Testprotokoll gestatten es, dass die Membranen 16 über die Zeit überwacht werden, was eine Information bereitstellt, wie die Membranen mit der Zeit altern und die Entwicklung haltbarerer Membranen für Brennstoffzellen unterstützen kann.
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Der oben beschriebene Algorithmus kann in einem Brennstoffzellensystem 10 in einem Fahrzeug oder bei der Wartung eines Fahrzeugs implementiert sein. Wenn das Brennstoffzellensystem 10 in einem Fahrzeug ist, kann der Algorithmus zu jeder Zeit implementiert werden, bei der kein Strom vom Brennstoffzellenstapel 12 gezogen wird. Strom kann von anderen Quellen als dem Brennstoffzellenstapel 12 während der Quantifizierung der Membranfunktionsfähigkeit mit Hilfe des oben beschriebenen Algorithmus entnommen werden.
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Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt rein beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus der Beschreibung und aus den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne den Geist und den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie er in den folgenden Patentansprüchen definiert ist, zu verlassen.
