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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 System und ein Verfahren zum Verlängern der Lebensdauer des Elektrodenkatalysators in einem Brennstoffzellenstapel und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Verlängern der Lebensdauer des Elektrodenkatalysators in einem Brennstoffzellenstapel durch Aufrechterhalten der Stapelspannung oberhalb eines gewissen Werts während eines Stand-by-Betriebs des Systems, um das Durchlaufen der Stapelspannung zu verhindern oder einzuschränken.
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2. Diskussion des Standes der 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 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 am Anodenkatalysator 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 dem Kathodenkatalysator 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 (PEMFC) sind eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Eine PEMFC beinhaltet im Allgemeinen eine feste Polymerelektrolytenprotonenleitende Membran, so zum Beispiel eine Membran aus einer Perfluorsulfonsäure. Die Anode und die Kathode beinhalten typischerweise fein verteilte Katalysatorteilchen, gewöhnlicherweise aber nicht immer einen hochaktiven Katalysator, beispielsweise Platin (Pt), verteilt auf Kohlenstoffpartikeln und vermischt mit einem Ionomer. Die Katalysatormischung ist an entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der Anodenkatalysatormischung, der Kathodenkatalysatormischung und der Membran definieren eine Membranelektroden-Anordnung (MEA). MEAs sind in der Herstellung relativ teuer und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
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Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu generieren. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen enthalten. Der Brennstoffzellenstapel erhält ein reagierendes 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 reagierendes Anodenwasserstoffeingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels fließt.
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Ein Brennstoffzellenstapel weist typischerweise eine Reihe von Bipolarplatten auf, die in dem Stapel zwischen die mehreren MEAs angeordnet sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Die Bipolarplatten beinhalten eine Anodenseite und eine Kathodenseite zu benachbarten Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengasflusskanäle sind auf der Anodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die es erlauben, dass das Anodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Auf der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasflusskanäle vorgesehen, die es erlauben, dass das Kathodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Eine Endplatte beinhaltet Anodengasflusskanäle und die andere Endplatte beinhaltet Kathodengasflusskanäle. Die Bipolarplatten 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 Bipolarplatten beinhalten des Weiteren Flusskanäle, durch welche ein Kühlmittel fließt.
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Es hat sich gezeigt, dass ein typischer Brennstoffzellenstapel einen Spannungsverlust oder eine Degradation über die Lebensdauer des Stapels erfährt. Es wird angenommen, dass die Brennstoffzellenstapeldegradation ein Ergebnis der Spannungswechselbelastung des Stapels ist. Eine Spannungswechselbelastung tritt auf, wenn die Katalysatorteilchen aus Platin, die dazu verwendet werden, um den elektrochemischen Reaktionsübergang zwischen einem oxidierten Zustand und einem nichtoxidierten Zustand, welcher eine Auflösung der Teilchen bewirkt, vermehrt. Wenn der Übergang der Platinteilchen zwischen dem nichtoxidierten oder metallischen Zustand und einem oxidierten Zustand erfolgt, sind Oxidionen im Platin in der Lage, von der Oberfläche der MEA zu der Membran und möglicherweise in die Membran zu wandern. Wenn die Teilchen in den metallischen Zustand zurückwandern, sind sie nicht in der Lage, an der elektrochemischen Reaktion teilzunehmen, wodurch sie die aktive Fläche der Katalysatoroberfläche reduzieren, was in einer Spannungsdegradation des Stapels resultiert.
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Die Oxidation von Platinteilchen in einer Brennstoffzelle aufgrund einer Spannungswechselbelastung erzeugt eine Passivierungsschicht in den Zellelektroden, die die Teilchen daran hindert, in Lösung zu gehen und in der Membran absorbiert zu werden. Mit anderen Worten reduziert die Oxidation der Platinteilchen in einer Brennstoffzelle die Möglichkeit einer Reduktion der Fläche der Katalysatoroberfläche, was die Zellendegradation reduziert. Obwohl sich die Diskussion, die hier geführt wird, auf den Katalysator aus Platin bezieht, kann von Fachleuten leicht erkannt werden, dass andere Metalle als Katalysator verwendet werden können und dass der Katalysator in verschiedenen Konzentrationen, Teilchengrößen, Trägermaterialien etc. vorliegen kann.
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Wenn die Spannung des Brennstoffzellenstapels kleiner als ungefähr 0,9 V ist, werden die Platinteilchen nicht oxidiert und verbleiben als Metall. Wenn die Spannung des Brennstoffzellenstapels aber über ungefähr 0,9 V ansteigt, beginnen die Platinkristalle, zu oxidieren. Eine niedrige Last an dem Stapel kann bewirken, dass der Spannungsausgang des Brennstoffzellenstapels über 0,9 V steigt. 0,9 V korrespondieren zu einer Stromdichte von ungefähr 0,2 A/cm2 in Abhängigkeit von der Stromdichte der MEA, wobei eine Stromdichte oberhalb dieses Wertes den Oxidationszustand des Platins nicht verändert. Die Oxidationsspannungsschwelle kann von Stapel zu Stapel und von Katalysator zu Katalysator verschieden sein.
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Viele Faktoren beeinflussen den relativen Verlust an Oberfläche der Platinteilchen im Hinblick auf eine Spannungswechselbelastung, wozu die Spitzenstapelspannung, die Temperatur, die Stapelfeuchtigkeit, die Dynamik der Spannungswechselbelastung etc. gehören. Niedrigere Stapelspannungssollwerte bieten einen größeren Schutz gegen Degradation wohingegen höhere Stapelspannungssollwerte eine höhere Systemeffizienz gewährleisten. Demnach erfordert die Steuerung verschiedener Brennstoffzellensysteme oft, dass der Stapel zumindest mit einem minimalen Leistungsgrad betrieben wird, so dass zumindest in einem Fall die Zellspannungen daran gehindert werden, zu hoch anzusteigen, da häufige Spannungswechselbelastungen zu hohen Spannungen zu einer Reduktion der aktiven Platinoberfläche der Kathoden- und der Anodenelektroden, wie oben erwähnt, führen kann.
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Typischerweise wird in bekannten Brennstoffzellensystemen ein fester Spannungsgrenzwert verwendet, um den minimalen Stapelleistungsgrad einzustellen, um eine unerwünschte Spannungswechselbelastung zu verhindern. Beispielsweise kann eine typische Spannungsunterdrückungsstrategie einen festen Spannungssollwert, beispielsweise 850 - 900 mV verwenden und die Stapelspannung daran hindern, über diesen Wert anzusteigen. Wenn der Stapelzellenleistungsträger keine Leistung anfordert oder nur minimale Leistung anfordert wird die Leistung, die von dem Stapel erzeugt wird, die notwendig ist, um die Zellenspannung gerade auf diesem oder unterhalb diesem festen Spannungssollwert zu halten, an gewisse Quellen geliefert, wobei die Energie gespeichert oder verbraucht wird. Beispielsweise kann die überschüssige Leistung dazu verwendet werden, um eine Hochvoltbatterie in einem Brennstoffzellensystem auf einem Fahrzeug zu laden.
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Die US-Patentanmeldung
US 2006/0147770 A1 , veröffentlicht am 6. Juli 2006 mit dem Titel „Reduktion eines von einer Spannungswechselbelastung herrührenden Spannungsverlustes durch Verwendung einer wiederaufladbaren elektrischen Speichervorrichtung“, angemeldet vom Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert, offenbart ein Brennstoffzellensystem, das eine Fahrzeugbatterie auflädt, um die Zellspannung unterhalb eines vorbestimmten festen Spannungssollwerts zu halten.
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Wenn ein Brennstoffzellensystem auf einem Fahrzeug in einem Leerlaufbetrieb ist, beispielsweise wenn das Fahrzeug an einer roten Ampel gestoppt wird, wobei der Brennstoffzellenstapel keine Leistung erzeugt, um die Systemgeräte zu betreiben, werden Luft und Wasserstoff im Allgemeinen weiterhin an den Brennstoffzellenstapel geliefert und der Stapel erzeugt eine Ausgangsleistung. Diese Leistung wird typischerweise dazu verwendet, um die Batterie, bis eine obere SOC-Grenze der Batterie erreicht ist, wiederaufzuladen, wobei die Batterie beschädigt werden kann, wenn die Batterie über diese Obergrenze hinaus aufgeladen wird. Wenn dieser Batterieladezustandsgrenzwert erreicht wird, wird die Batterielast von dem Stapel entfernt, was die Stapelspannung erhöht aber eine Spannungswechselbelastung, wie oben erwähnt, bewirkt, die die Lebensdauer des Stapels mindert. Wenn das Brennstoffzellensystem während der Leerlaufbedingungen abgeschaltet wird, muss das Problem mit dem Bereitstellen einer Last an den Stapel, sobald die Batterie ihren maximalen Ladezustand erreicht hat, nicht adressiert werden. Darüber hinaus ist das Bereitstellen von Wasserstoff an den Brennstoffzellenstapel, wenn diese im Leerlaufbetrieb ist, im Allgemeinen verschwenderisch, da das Betreiben des Stapels unter dieser Bedingung, wenn überhaupt, keine besonders nutzvolle Arbeit ausführt.
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Für diese und andere Brennstoffzellensystembetriebsbedingungen kann es wünschenswert sein, das System in einen Stand-by-Betrieb zu versetzen, wobei das System wenig oder gar keine Leistung aufnimmt, die verwendete Menge an Wasserstoffbrennstoff minimal ist und das System schnell aus dem Stand-by-Betrieb zurückkehren kann, um so die Systemeffizienz zu steigern und die Systemdegradation zu reduzieren. Die
USPatentanmeldung 12/723,261 (veröffentlicht als
US 2011/0087389 A1 ) mit dem Titel „Stand by-Betrieb für die Optimierung der Effizienz und Lebensdauer einer Fahrzeugbrennstoffzellenanwendung“, angemeldet am 12. März 2010 von dem Patentanmelder dieser Patentanmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert, offenbart ein Verfahren zum Versetzen eines Brennstoffzellensystems auf einem Fahrzeug in einen Stand-by-Betrieb, um Brennstoff zu sparen.
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Wenn ein Brennstoffzellenstapel in den Stand-by-Betrieb übergeht und abgeschaltet wird, fällt die Spannung auf dem Stapel auf Null, und wenn der Stand-by-Betrieb vorüber ist und der Stapel wieder gestartet wird, steigt die Stapelspannung an. Demzufolge tritt die oben beschriebene Spannungswechselbelastung auf, die die Leistungsfähigkeit des Katalysators basierend auf der Anzahl der Zeiten, in denen der Stand-by-Betrieb eingegangen wurde und beendet wurde, reduziert. Es ist möglich, die Last auf dem Stapel frühzeitig zu begrenzen, so dass der Stapel im Stand-by-Betrieb ist, um das Durchlaufen der Spannung zu begrenzen. Zusätzliche Schritte können jedoch auch unternommen werden, um den Katalysatorverlust einzuschränken.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren zum Begrenzen einer Stapelwechselbelastung eines Brennstoffzellenstapels während eines Stand-by-Betriebs durch Bereitstellen einer Leistung von einer Batterie auf den Stapel offenbart, wobei der Stapel abgeschaltet ist. Das Verfahren beinhaltet das Überwachen der Spannung von jeder der Brennstoffzellen oder einer Gruppe von Zellen in dem Brennstoffzellenstapel und das Bestimmen einer mittleren Zellspannung der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel. Das Verfahren bestimmt ferner, ob die mittlere Zellspannung der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel unter einen vorbestimmten Spannungswert gefallen ist, und wenn dies der Fall ist, legt das Verfahren ein Spannungspotential an den Brennstoffzellenstapel an, um die mittlere Zellspannung über den vorbestimmten Spannungswert zu erhöhen.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren deutlich.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Graph, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse, die mittlere Zellspannung auf der linken vertikalen Achse und die Stapelleistung auf der rechten vertikalen Achse aufgetragen sind, welcher eine Beziehung zwischen einer mittleren Zellspannung und einer von einer Batterie an einen Brennstoffzellenstapel gelieferten Leistung zeigt;
- 2 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems mit einer Batterie zum Bereitstellen eines Spannungspotentials an einen Brennstoffzellenstapel während einem Stand-by-Betrieb; und
- 3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Liefern von Leistung an einen Brennstoffzellenstapel während einem Stand-by-Betrieb zum Verhindern, dass die Stapelspannung unter einen vorbestimmten Wert fällt, zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Begrenzen einer Spannungswechselbelastung eines Brennstoffzellenstapels während einem Stand-by-Betrieb gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken. Beispielsweise findet das hier beschriebene System und Verfahren der Erfindung eine besondere Anwendung bei einem Brennstoffzellensystem auf einem Fahrzeug. Fachleuten ist jedoch leicht verständlich, dass das System und das Verfahren der Erfindung andere Anwendungen haben kann.
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Die vorliegende Erfindung schlägt eine Technik zum Bereitstellen einer Leistung an einen Brennstoffzellenstapel während eines Stand-by-Betriebs vor, um zu verhindern, dass die Stapelspannung unter einen vorbestimmten Spannungsschwellwert fällt, bei dem eine Spannungswechselbelastung auftreten kann. 1 ist ein Graph, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse, eine mittlere Zellspannung auf der linken vertikalen Achse und eine Stapelleistung auf der rechten vertikalen Achse aufgetragen sind. Linie 60 stellt die Zeit dar, bei der ein Stand-by-Betrieb initiiert wird und Luftfluss von dem Kathodenkompressor gestoppt wird oder der Kompressorluftfluss um den Stapel herumgeleitet wird. Wenn die Last von dem Stapel entfernt wird, steigt die mittlere Zellspannung, die von der Linie 62 dargestellt wird am Anfang an, da die Reaktanten innerhalb des Stapels aufgebraucht werden. Bald darauf wird der Stand-by-Betrieb initiiert und die Reaktanten sind aufgebraucht worden, wonach die mittlere Zellspannung zu fallen beginnt. Sobald die mittlere Zellspannung einen Spannungswechselbelastungsschwellwert, beispielsweise 0,9 V, erreicht, wird Leistung von beispielsweise einer Batterie, die an den Brennstoffzellenstapel angelegt ist, was von der Linie 64 dargestellt wird, um die mittlere Zellspannung mit der Zeit über diesen Schwellwert zu erhöhen. Der Spannungsschwellwert von 0,9 V ist eine Spannung, die sich als geeignet erwiesen hat, um eine Spannungswechselbelastung auf den Stapel zu verhindern, wenn die Stapelspannung oberhalb dieser Spannung gehalten wird. Andere Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellensysteme können jedoch einen anderen Spannungswechselbelastungsschwellwert erfordern.
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2 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 12, das eine besondere Anwendung als ein Fahrzeugbrennstoffzellensystem hat. Der Brennstoffzellenstapel 12 umfasst eine Zahl von Brennstoffzellen 14, die für den hier gedachten Zweck geeignet sind, wobei Anoden- und Kathodenelektroden 16 an entgegengesetzten Seiten des Brennstoffzellenstapels 14 vorgesehen sind. Eine Wasserstoffquelle 46 liefert Wasserstoffgas zur Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Anodeneingangsleitung 66 und Anodenabgas wird aus dem Stapel 12 auf einer Anodenabgasleitung 68 ausgelassen. Ein Luftkompressor 50 liefert Luft auf die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Kathodeneingangsleitung 52 und Kathodenabgas wird aus dem Brennstoffzellenstapel 12 auf einer Kathodenabgasleitung 54 ausgelassen. Eine Kathoden-Bypass-Leitung 56 ist um den Stapel 12 herum vorgesehen und beinhaltet ein Bypass-Ventil 58 zum Regeln, ob die Kathodenluft von dem Kompressor 50 um oder durch den Stapel 12 geleitet wird. Das Kathodensubsystem und das Anodensubsystem in dem Brennstoffzellensystem 10 kann verschiedene Ventile, Injektoren, Schläuche etc., die in verschiedenen Konfigurationen, die nicht gezeigt sind, vorliegen, beinhalten und sind nicht notwendig zum korrekten Verständnis dieser Erfindung.
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Ein Spannungsversorgungsschaltkreis 48 überwacht die Stapelspannung, misst die minimale und die maximale Zellspannung der Brennstoffzellen 14 und berechnet eine mittlere Zellspannung. Der Spannungsversorgungsschaltkreis 48 kann jede geeignete Vorrichtung für die hier diskutierten Zwecke sein, von denen viele den Fachleuten bekannt sind. Ein Systemsteuergerät 44 regelt den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 und empfängt die verschiedenen Spannungswerte von dem Spannungsüberwachungsschaltkreis 48.
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Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst ferner einen elektrischen Hochspannungsbus, der hier durch die positiven und negativen Spannungsleitungen 18 und 20 jeweils dargestellt wird, welche elektrisch zu dem Brennstoffzellenstapel 12 gekoppelt sind. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Hochvoltbatterie 22, die ebenfalls mit den Busleitungen 18 und 20 elektrisch gekoppelt ist, die die Leistung, die an den Brennstoffzellenstapel 12 in einer Art und Weise abgegeben wird, die Fachleuten gut bekannt ist. Das System 10 beinhaltet ferner einen DC/DC-Hochsetzsteller 24, der mit den Hochvoltbusleitungen 18 und 20 zwischen dem Brennstoffzellenstapel 12 und der Hochvoltbatterie 22 gekoppelt ist, der eine Gleichspannungsanpassung liefert, die Fachleuten ebenfalls gut bekannt ist. Ein Inverter 26 ist mit den Hochvoltbusleitungen 18 und 20 gekoppelt, um den dort befindlichen Gleichstrom in ein geeignetes Wechselstromsignal zu wandeln, um einen Wechselstromtraktionsmotor 28 zu betreiben, um das Fahrzeug anzutreiben. Der Betrieb eines Inverters für diese Zwecke ist Fachleuten ebenfalls gut bekannt. Schaltschütze 30 und 32 sind in den Leitungen 18 und 20 jeweils vorgesehen, um den Brennstoffzellenstapel 12 vom Rest des elektrischen Systems des Brennstoffzellensystems 10 zu trennen.
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Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet ferner einen elektrischen Wandler 34, der elektrisch mit den Hochvoltbusleitungen 18 und 20 zwischen den Schaltschützen 30 und 32 und dem Brennstoffzellenstapel 12 gekoppelt ist. Der Wandler 34 wird von dem Steuergerät 44 in der hier diskutierten Art gesteuert. Wenn das Brennstoffzellensystem 10 in den Stand-by-Betrieb versetzt wird, wird der Brennstoffzellenstapel 12 abgeschaltet und die Stapelspannung beginnt zu fallen, wie oben erwähnt. Da es wünschenswert ist, die Zellspannungen über den Solloxidationsschwellspannungswert im vorliegenden Fall von 0,9 V zu halten, wird der elektrische Wandler 34 verwendet, um ein Potenzial an die Busleitungen 18 und 20 zu liefern, so dass die Spannung auf dem Stapel 12 nicht unter die minimale Sollspannung fällt. Die Dioden 36 und 38 können auf den Leitungen, die die Busleitungen 18 und 20 mit dem Wandler 34 verbinden, vorgesehen werden, welche einen elektrischen Fluss von den Busleitungen 18 und 20 zu dem Wandler 34 unterbinden. Wenn die Schaltschütze 30 und 32 des Stapels offen sind und der elektrische Wandler 34 angeschaltet ist, beispielsweise durch ein Schaltnetzwerk 42, wird das Potenzial auf die Busleitungen 18 und 20 und direkt zu dem Stapel 12 hinzugefügt. Es muss nicht notwendig sein, die Schaltschütze 30 und 32 zu öffnen, wenn das System 10 sich in dem Stand-by-Betrieb befindet und der elektrische Wandler 34 angeschaltet ist, da die auf den Busleitungen 18 und 20 platzierte Last nicht groß genug sein kann, um das Batteriepotenzial unter das Stapelpotenzial zu drücken, wobei der Hochsetzsteller 24 elektrisch mit dem Stapel 12 verbunden werden kann, wenn die Spannung von dem Wandler 34 hochgesetzt wird.
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In einer Ausführungsform ist der elektrische Wandler 34 ein Leistungswandler, der die Leistung der Hochvoltbatterie von der Batterie 22 auf ein für den hier diskutierten Prozess geeignetes Spannungspotential wandelt. In einer alternativen Ausführungsform kann der elektrische Wandler 34 ein Hochsetzsteller sein, der eine niedrige Spannung, typischerweise 12 V, von einer 12 V-Batterie 40 auf ein Spannungspotential setzt, das hoch genug ist, um die Oxidation zu gewährleisten. Die Niedervoltbatterie 40 treibt Hilfslasten mit niedriger Leistungsaufnahme auf dem Fahrzeug, beispielsweise Beleuchtung, Klimageräte, Radio etc. Leistungswandler und Hochsetzsteller, die für diesen Zweck geeignet sind, sind Fachleuten gut bekannt und leicht verfügbar.
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Obwohl in dieser Ausführungsform die Bestimmung, wann Leistung von der Batterie 22 geliefert werden muss, auf der mittleren Zellspannung basiert, können andere Faktoren verwendet werden, um zu bestimmen, wann eine Batterieleistung geliefert werden muss und wann nicht. Beispielsweise kann es auch wünschenswert sein, die maximale Zellspannung zu überwachen, so dass diese nicht einen vorbestimmten maximalen Wert überschreitet, wenn die Batterieleistung an den Stapel 12 geliefert wird, was in einem anderen Fall zu einer Beschädigung der Zelle führen könnte. Analog dazu kann die minimale Spannung der Zelle unter den gleichen Wert fallen, der unter der Schwellspannung liegt, wobei es wünschenswert ist, eine Batterieleistung an den Stapel 12 zu liefern, wenn die minimale Zellspannung einen niedrigen Spannungsschwellwert erreicht, wobei aber die mittlere Zellspannung noch nicht den Spannungsschwellwert erreicht hat. Darüber hinaus kann es wünschenswert sein, die Konzentrationen an Reaktanten in dem Brennstoffzellenstapel 12 zu überwachen, um zu bestimmen, wann die Batterieleistung geliefert werden soll. Beispielsweise kann das Abgeben von Leistung von der Batterie 22 dazu führen, dass Zellen, die mit höheren Sauerstoffgehalten einhergehen, über einen hohen Schwellwert steigen, was möglicherweise zu einer Zellbeschädigung führt, wenn eine ungleiche Verteilung von Reaktanten, beispielsweise Sauerstoff in dem Brennstoffzellenstapel 12 vorliegt. Fachleuten ist es gut bekannt, dass verschiedene Techniken im Stand der Technik bekannt sind, um die Konzentration sowohl von der Kathodenluft als auch von dem Wasserstoffgas in dem Brennstoffzellenstapel 12 zu bestimmen, unter anderem sind verschiedene Modelle für Reaktantenkonzentrationen und Konzentrationssensoren bekannt.
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3 ist ein Flussdiagramm 70, das ein Verfahren, wie oben erwähnt, zum Aufrechterhalten der Spannung des Brennstoffzellenstapels 12 über einen Spannungsschwellwert zeigt, um eine Spannungswechselbelastung zu verhindern oder zu reduzieren. Der Algorithmus zum Aufrechterhalten einer Stapelspannung wird im Kasten 72 gestartet, was in Reaktion auf irgendeine geeignete Fahrzeugbetriebsbedingung sein kann, beispielsweise dem Eintreten in einen Stand-by-Betrieb, wie oben erwähnt, wobei der Brennstoffzellenstapel 12 abgeschaltet wird und der Kompressor 50 abgeschaltet wird. Sobald dieser Ablauf initiiert wird, bestimmt der Algorithmus dann, ob die mittlere Zellspannung oder die minimale Zellspannung unter einem Sollspannungsschwellwert in der Entscheidungsraute 74 liegt, und wenn dies nicht der Fall ist, ob die Stapelspannung nicht niedrig genug ist, um zusätzliches Stapelpotenzial zuzuführen und der Spannung zu gestatten, im Kasten 76 abzufallen. Alternativ dazu könnte die Entscheidung, um zu bestimmen, ob die mittlere Zellspannung oder die minimale Zellspannung unter einem Sollspannungsschwellwert liegt, eine separate Entscheidung sein. Wenn die mittlere Zellspannung unter den Spannungsschwellwert in der Entscheidungsraute 74 gefallen ist, dann bestimmt der Algorithmus, ob die maximale Zellspannung unter einer vorbestimmten maximalen Spannung in der Entscheidungsraute 78 liegt. Wie oben erwähnt kann es immer noch besser für den Brennstoffzellenstapel 12 sein, wenn die zusätzliche Leistung von der Batterie 22 nicht an den Stapel 12 geliefert wird, wenn die Spannung einer der Zellen 14 oberhalb einer vorbestimmten maximalen Spannung liegt, bei der die Zelle beschädigt werden könnte, auch wenn die mittlere Zellspannung unter dem Spannungsschwellwert liegt, bei dem eine Spannungswechselbelastung auftreten kann. Wenn die maximale Zellspannung zu hoch ist, ermöglicht der Algorithmus im Kasten 76 wiederum, dass die Stapelspannung absinkt, da das Hinzufügen einer Spannung zu dem Stapel 12 schädlich sein könnte, wenn die maximale Zellspannung zu hoch ist.
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Wenn die maximale Zellspannung unter der maximalen Spannung in der Entscheidungsraute 78 liegt, dann bestimmt der Algorithmus, ob die Reaktantenkonzentrationen in dem Stapel 12 akzeptabel sind in der Entscheidungsraute 80. Wie oben diskutiert kann es wünschenswert sein, keine zusätzliche Leistung von der Batterie 22 hinzuzufügen, auch wenn die mittlere Zellspannung unter dem Schwellenwert liegt, wenn die Verteilung der Reaktanten in den Stapel 12, sowohl Kathodenluft als auch Wasserstoffgas, so beschaffen ist, dass die Reaktanten in einigen Zellen höhere Spannungen erzeugen. Wenn der Algorithmus bestimmt, dass die Reaktantenkonzentration nicht akzeptabel ist in der Entscheidungsraute 80, bestimmt der Algorithmus, ob es wünschenswert oder möglich ist, Kathodenluft oder Wasserstoffbrennstoff hinzuzufügen in der Entscheidungsraute 82. Wenn es nicht wünschenswert ist, Reaktanten hinzuzufügen in der Entscheidungsraute 82, dann ermöglicht der Algorithmus wiederum, dass die Stapelspannung in dem Kasten 76 absinkt. Wenn es wünschenswert ist, Reaktanten in der Entscheidungsraute 82 hinzuzufügen, dann fügt der Algorithmus in dem Kasten 84 Reaktanten hinzu. Wenn der Algorithmus bestimmt, dass die Reaktantenkonzentrationen akzeptabel sind in der Entscheidungsraute 80, dann liefert der Algorithmus eine Spannung an den Stapel 12 in der oben erwähnten Weise in dem Kasten 86.
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Wie von Fachleuten gut verstanden wird, können verschiedene oder einige Schritte und Verfahren, die hier erörtert wurden, um die Erfindung zu beschreiben, von einem Computer, einem Prozessor oder einer anderen elektronischen Recheneinheit ausgeführt werden, die mit Hilfe elektrischer Phänomene Daten manipuliert und/oder transformiert. Diese Computer und elektrischen Geräte können verschiedene flüchtige und/oder nicht flüchtige Speicher inklusive einem festen computerlesbaren Medium mit einem darauf befindlichen ausführbaren Programm beinhalten, das verschiedene Codes oder ausführbare Instruktionen beinhaltet, die von dem Computer oder Prozessor ausgeführt werden, wobei der Speicher und/oder das computerlesbare Medium alle Formen und Arten von einem Speicher und anderen computerlesbaren Medien beinhalten kann.
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Die vorhergehende Diskussion zeigt und beschreibt rein exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus der Diskussion an den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass zahlreiche Änderungen, Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne dabei den Geist und den Bereich der Erfindung zu verlassen, wie er mit den folgenden Patentansprüchen definiert ist.
