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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 Wiedererlangen eines Spannungsverlustes eines Brennstoffzellenstapels, und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Wiedererlangen eines Spannungsverlustes eines Brennstoffzellenstapels, welches das Bereitstellen von flüssigem Wasser auf der Stapelelektrodenoberfläche, das Betreiben des Stapels bei einem niedrigen Zellpotenzial und das Fließen von Wasser durch den Brennstoffzellenstapel beinhaltet.
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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 an dem 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 Breispiel eine Membran aus einer Perfluorsulfonsäure. Die Anode und die Kathode beinhalten typischerweise fein verteilte Katalysatorteilchen, gewöhnlicherweise aber nicht immer einen hochaktiven Katalysator wie 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 Kraftfahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen enthalten. 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 Bipolarplatten auf, die zwischen die mehreren MEAs in dem Stapel angeordnet sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Die Bipolarplatten beinhalten eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengasflusskanäle sind auf der Anodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die es erlauben, dass das Anodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Kathodengasflusskanäle sind auf der Kathodenseite der Bipolarplatten 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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Die Membran innerhalb einer Brennstoffzelle muss genügend Wassergehalt aufweisen, so dass der ionische Widerstand über die Membran niedrig genug ist, um effektiv Protonen zu leiten. Membranbefeuchtung kann von einem Wasserabfallprodukt für den Stapel oder einer externen Befeuchtung kommen. Der Fluss von Reaktanten durch die Flusskanäle des Stapels hat einen für die Zellmembranen austrocknenden Effekt, der sich an einem Einlass des Reaktantenflusses am meisten bemerkbar macht. Die Akkumulation von Wassertröpfchen innerhalb der Flusskanäle kann allerdings Reaktanten am Durchfließen dieser Flusskanäle hindern und dazu führen, dass eine Zelle wegen einem zu niedrigem Reaktantengasfluss ausfällt, wobei die Stapelstabilität beeinträchtigt wird. Die Akkumulation von Wasser in den Reaktantengasflusskanälen und innerhalb der Gasdiffusionsschicht (GDL) ist besonders lästig bei niedrigen Stapelausgangslasten.
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Ein Betrieb eines nassen Stapels, welcher ein Betrieb bei einem hohen Grad an Feuchtigkeit ist, ist wünschenswert für die Systembefeuchtung, die Leistungsfähigkeit und das Entfernen von Kontaminanten. Es gibt jedoch verschiedene Gründe, einen Brennstoffzellenstapel mit einem niedrigeren Grad an Feuchtigkeit zu betreiben, was auch als eine trockene Betriebsbedingung bekannt ist. Beispielsweise kann der Betrieb eines nassen Stapels zu Stabilitätsproblemen bei der Brennstoffzelle aufgrund eines Wasseraufbaus führen, und könnte darüber hinaus eine Anodenverarmung aufgrund einer Kohlenstoffkorrosion bewirken. Darüber hinaus kann der Betrieb eines nassen Stapels bei Frostbedingungen aufgrund des Einfrierens von flüssigem Wasser an verschiedenen Orten in dem Brennstoffzellenstapel problematisch sein. Demzufolge besteht ein Bedürfnis im Stand der Technik für Systeme, die für nicht nasse Betriebsbedingungen optimiert worden sind.
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In einem Brennstoffzellensystem liegen eine Anzahl von Mechanismen vor, die einen permanenten Verlust für die Stapelleistungsfähigkeit bewirken, beispielsweise ein Verlust der Katalysatoraktivität, eine Korrosion des Katalysatorträgers und eine Pinhole-Bildung in den Zellmembranen. Allerdings gibt es andere Mechanismen, die dazu führen können, dass Stapelspannungsverluste auftreten, die im Allgemeinen reversibel sind, beispielsweise das Austrocknen der Zellmembranen, die Bildung von Katalysatoroxiden und der Aufbau von Kontaminanten sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite des Stapels. Demzufolge besteht ein Bedürfnis im Stand der Technik, die Oxidbildungen und den Aufbau von Kontaminanten zu entfernen, ebenso wie die Zellmembranen zu rehydratisieren, um Verluste in der Zellspannung in einem Brennstoffzellenstapel auszugleichen.
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Um ein PEM-Brennstoffzellensystem kommerziell gangbar machen zu können, liegt im Allgemeinen eine Begrenzung für das Beladen mit Edelmetallen, d. h. mit Platin oder Platinlegierungen als Katalysator, auf den Brennstoffzellenelektroden vor, um die Gesamtsystemkosten zu reduzieren. Als Resultat dazu kann die gesamte verfügbare elektrochemisch aktive Oberflächenfläche des Katalysators begrenzt oder reduziert sein, was die Elektroden für eine Kontamination empfänglicher macht. Die Quelle für die Kontamination kann von den Anoden- und Kathodenreaktionsgaszufuhrströmen inklusive der Wasserbefeuchtung stammen oder innerhalb der Brennstoffzellen aufgrund der Degradation und der Dekomposition der Membran, der Stapeldichtungen und/oder der Bipolarplatten herrühren. Eine bestimmte Art von Kontaminanten beinhaltet Anionen, welche negativ geladen sind, beispielsweise Chlorid oder Sulfat, beispielsweise SO4. Die Anionen tendieren dazu, auf der Platinkatalysatoroberfläche der Elektrode während des normalen Brennstoffzellenbetriebs zu absorbieren, wenn das Kathodenpotenzial typischerweise über 650 mV liegt, wobei die aktive Seite für die Sauerstoffreduktionsreaktion blockiert wird, was zu einem Spannungsabfall bei der Zelle führt. Darüber hinaus werden zusätzliche Verluste durch die reduzierte Protonenleitfähigkeit hervorgerufen, wenn die Protonenleitfähigkeit ebenfalls zu einem hohen Grad abhängig ist von einer kontaminationsfreien Platinoberfläche, beispielsweise von nanostrukturierten dünnfilmartigen Elektroden (NSTF).
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US Patentanmeldung Seriennummer 12/58 0,912, angemeldet am 16. Oktober 2009 mit dem Titel ”Automatisiertes Verfahren zum Ausführen eines In-Situ-Rekonditionierens eines Brennstoffzellenstapels”, eingetragen auf den Anmelder dieser Anmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert, offenbart ein System und ein Verfahren zum Rekonditionieren eines Brennstoffzellenstapels, welches das Steigern des Feuchtigkeitsgrads an der Kathodenseite des Stapels beinhaltet, um die Zellmembranen zu hydratisieren, und das Bereitstellen von Wasserstoff an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels beim Herunterfahren des Systems, wobei das System die Auslösepunkte für das Rekonditionierereignis und die Rekonditionierung der Schwellwerte überwacht und das Rekonditioniersystem prüft, so dass das Rekonditionierverfahren während eines Fahrzeugbetriebs ausgeführt werden kann.
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Im Allgemeinen beinhaltet das Rekonditionieren eines Stapels das Betreiben des Brennstoffzellenstapels mit einer relativ hohen Feuchtigkeit, um Kontaminanten von dem Stapel zu entfernen, um die Stapeldegradation rückgängig zu machen. Das Rekonditionieren ist allerdings ein ungewöhnlicher Betrieb und setzt den Stapel einer Nassoperation aus, die Zuverlässigkeitsprobleme bewirken kann, wenn flüssiges Wasser in die Flussfelder der Anode gelangen und niedrige Anodenflussraten nicht in der Lage sind, ausgespült zu werden. Demzufolge sollte das Rekonditionieren nur dann ausgeführt werden, wenn es absolut notwendig ist. Vorhergehende Stapel-Rekonditionierungsauslösepunkte werden ausgelöst, wozu das Ausführen des Rekonditionierens durch Überwachen der Anzahl von Fahrzeugfahrten oder Schlüsselzyklen gehört. Wenn die Anzahl der Fahrten einen Schwellwert übersteigt, welcher als eine Darstellung der Zeit betrachtet wird, nach welcher die Stapelspannung degradiert wurde, wird das Verfahren zum Rekonditionieren ausgelöst. Allerdings können Verbesserungen im Auslösen des Rekonditionierens gemacht werden, so dass das Rekonditionieren nur dann ausgeführt wird, wenn es notwendig ist, die abnormalen Betriebsbedingungen zu reduzieren.
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Es ist darüber hinaus im Stand der Technik bekannt, dass einige Kontaminanten, die sich auf den Elektroden in einem Brennstoffzellenstapel bilden, aus den Elektroden durch Oxidieren der Kontaminanten entfernt werden können. Um die Kontaminanten auf den Elektroden zu oxidieren, ist es notwendig, das Potenzial über die Elektroden auf eine Spannung, die hoch genug ist, um diese Oxidation zu gewährleisten, anzuheben. Das theoretische maximale Potenzial für einen Wasserstoffbrennstoffzellenstapel innerhalb eines typischen Brennstoffzellensystems auf einem Fahrzeug ist jedoch niedriger als das notwendige Spannungspotenzial.
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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 Rekonditionieren eines Brennstoffzellenstapels zum Wiedererlangen eines Spannungsverlustes eines Stapels offenbart. Das Verfahren beinhaltet zunächst das Betreiben des Brennstoffzellenstapels unter einer nassen Bedingung, wobei der Feuchtigkeitsgrad in dem Stapel über 100% liegt, um flüssiges Wasser an die Zellelektroden bereitzustellen. Das Verfahren wendet dann ein niedriges Spannungspotenzial auf den Stapel an, um zu bewirken, dass die Kontaminanten von der Katalysatoroberfläche der Zellelektroden entfernt werden können. Dieser Schritt kann das Verarmen der Kathodenseite von Sauerstoff für eine begrenzte Zeitdauer beinhalten. Das Verfahren bewirkt dann, dass Wasser durch den Stapel fließt, so dass die Kontaminanten aus dem Stapel herausgespült werden. Das Verfahren kann während eines Fahrzeugbetriebs ausgeführt werden, wobei kleine Beträge an Spannung wiedergewonnen würden, oder während einer Fahrzeugwartung, wobei ein relativ großer Betrag an Spannung wiedererlangt werden könnte.
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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 ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems;
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2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Wiedererlangen eines reversiblen Spannungsverlustes eines Stapels in einem Brennstoffzellenstapel zeigt; und
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3 ist ein Flussdiagramm, das ein anderes Verfahren zum Wiedererlangen eines reversiblen Spannungsverlustes eines Stapels in einem Brennstoffzellenstapel zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Systemen und Verfahren zum Wiedererlangen eines reversiblen Spannungsverlustes eines Stapels gerichtet ist, ist ein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken.
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1 ist ein einfaches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 12, der eine Vielzahl von gestapelten Brennstoffzellen 14 aufweist. Das Brennstoffzellensystem 10 wäre typischerweise auf einem Fahrzeug 46 für die Zwecke der Erfindung, wie unten diskutiert, angeordnet. Wie oben diskutiert, weisen die Brennstoffzellen in bekannten Ausführungsformen in einem typischen Brennstoffzellenstapel dieser Art MEAs auf, die Zellelektroden mit dem Reaktantenkatalysator aufweisen und durch Bipolarplatten voneinander getrennt sind, die Flusskanäle für die Reaktanten aufweisen und Flusskanäle für ein Kühlmittel aufweisen. Die Linie 16 stellt die Bipolarplatten dar, die Flusskanäle aufweisen, die sich davon erstrecken, wobei die Zell-MEAs 18 zwischen den Bipolarplatten 16 sicher angeordnet wären.
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Ein Kompressor 20 liefert einen Luftfluss an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Kathodeneingangsleitung 22 durch eine Wasserdampftransfereinheit 24 (WVT), die die Kathodeneingangsluft befeuchtet. Die WVT-Einheit 24 wird in dieser Ausführungsform als nichteinschränkendes Beispiel verwendet, wobei andere Arten von Befeuchtungsgeräten zum Befeuchten der Kathodeneinlassluft auch anwendbar wären, beispielsweise Enthalpie-Räder, Verdampfer, etc. In einigen Brennstoffzellensystemausführungen kann eine Bypass-Leitung (nicht gezeigt) um die WVT-Einheit 24 vorgesehen sein, um selektiv den Feuchtigkeitsgrad zu kontrollieren, der das Kathodeneingangsreaktantengas geliefert wird. Ein Kathodenabgas wird aus dem Stapel 12 auf einer Kathodenabgasleitung 26 ausgelassen. Die Abgasleitung 26 richtet das Kathodenabgas zu der WVT-Einheit 24, um die Feuchtigkeit bereitzustellen, um die Kathodeneingangsluft zu befeuchten, wobei ein Auslass von der WVT-Einheit 24 auf einer Systemabgasleitung 28 in dieser nichteinschränken Systemkonfiguration vorgesehen ist.
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Der Brennstoffzellenstapel 12 empfängt darüber hinaus Wasserstoff von einer Wasserstoffgasquelle 30 auf einer Anodeneingangsleitung 32 und liefert ein Anodenabgas auf einer Leitung 34, welches zu der Systemabgasleitung 28 gesendet wird. In einer alternativen Ausführungsform kann das Anodenabgas zurück zu der Anodeneingangsleitung in einem Recycling-Anoden-Schleifen-Design geführt werden, wobei ein Entlüftungsventil vorgesehen sein würde, um periodisch Stickstoff von der Anodenseite des Stapels 12 in einem gut bekannten Verfahren zu entlüften. Eine Pumpe 36 pumpt eine Kühlflüssigkeit durch den Brennstoffzellenstapel 12, eine Kühlflüssigkeitsleitung 40 außerhalb des Stapels 12 und durch einen Radiator 38. Die Linie 42 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 ist dazu gedacht, die vielen Flusskanäle, die in dem Stapel 12 vorhanden sind, darzustellen, typischerweise innerhalb der Bipolarplatten 16 in verschiedenen Ausführungsformen, was von Fachleuten gut verstanden ist. Eine Stapellast 44 ist als elektrisch gekoppelt zu dem Brennstoffzellenstapel 12 gezeigt und dient dazu, jede elektrische Last an dem Brennstoffzellenstapel 12 darzustellen, die mit der hier geführten Diskussion konsistent ist.
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Das Steuern des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 12, so dass flüssiges Wasser an den Elektrodenoberflächen der Brennstoffzellen vorhanden ist, ist wünschenswert für das Reduzieren der Elektrodenkontamination und demzufolge zum Wiedererlangen eines Spannungsverlustes. Mit anderen Worten ist es wünschenswert, den Brennstoffzellenstapel 12 so zu betreiben, dass der Feuchtigkeitsgrad oberhalb 100% liegt, wobei flüssiges Wasser an den Elektroden vorhanden wäre. Es wird angenommen, dass das Betreiben der Brennstoffzellen mit nassen Membranen die Verspannung auf den Membranen reduziert, was wiederum die Kontaminanten reduziert, die daraus entlassen werden. Dies wird typischerweise durch Reduzieren der Betriebstemperaturen des Stapelkühlungsmittels erreicht. Es kann möglich sein, die WVT-Einheit 24 zu steuern, um einen maximalen Betrag an Feuchtigkeit an die Kathodeneinlassluft zu liefern. Es ist allerdings nicht immer möglich, den Stapel 12 bei diesem Feuchtigkeitslevel zu betreiben. Beispielsweise können höhere Umgebungstemperaturen während eines Betriebs im Sommer einen Nassbetrieb des Stapels 12 schwieriger machen. Darüber hinaus kann das Erfordernis für das Heizen der Fahrgastzelle während eines Betriebs im Winter das Minimum für die Stapelkühlungsflüssigkeitstemperatur begrenzen. Darüber hinaus kann es nicht wünschenswert sein, den Stapel 12 bei einem hohen Grad an Feuchtigkeit zu betreiben, da die Effizienz für den Betrieb des Stabes 12 reduziert sein kann.
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Wenn bestimmt wird, dass der tatsächliche Stapelspannungsverlust größer als ein vorbestimmter nichtwiedererlangbarer Stapel ist, der vom Stapelbetrieb herrührt, wird angenommen, dass der Spannungsverlust das Ergebnis einer Elektrodenkontamination ist, welche, wenn sie entfernt wird, eine Wiedererlangung des Spannungsverlustes ermöglichen kann. Ein Verfahren zur Wiedererlangung der Stapelspannung kann darüber hinaus basierend auf dem Betrag an Zeit, die verstrichen ist durch Vornahme einer tatsächlichen Messung der Stapelspannung ausgeführt werden, beispielsweise kann eine Reihe von Wiedererlangungsereignissen, wie unten diskutiert werden wird, jeden Monat ausgeführt werden, wobei die Zeit reduziert werden kann, wenn der Stapel 12 altert.
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Die vorliegende Erfindung schlägt zwei Techniken zum Wiedererlangen des Spannungsverlustes vor, die von einer Elektrodenkontamination herrühren. Die erste Technik wird während eines normalen Betriebs des Brennstoffzellenstapels 12 ausgeführt und versucht, den Spannungsverlust in kleinen Inkrementen oder Beträgen wiederzuerlangen. Die zweite Technik wird während einer Wartung des Fahrzeugs 46 ausgeführt, wobei ein Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels 12 nicht ausgeführt wird, welcher signifikante Beträge an Spannungsverlusten bei jedem Verfahren zur Wiedererlangung wieder erlangen kann.
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2 ist ein Flussdiagramm 50, das ein Verfahren zum Entfernen von Kontaminanten aus dem Brennstoffzellenstapel 12 zeigt, um einen Stapelspannungsverlust wiederzuerlangen, wobei das Fahrzeug 46 betrieben wird oder sich unter einer normalen Fahrzeugbetriebsbedingung befindet. Wenn die Stapelspannung auf den vorbestimmten Wert fällt oder die vorbestimmte Zeit für das Ausführen des Verfahrens zur Spannungswiedererlangung verstrichen ist, wird im Kasten 52 das Verfahren zur Spannungswiedererlangung initiiert. Wenn im Kasten 52 das Verfahren zur Spannungswiedererlangung initiiert wird, geht der Steueralgorithmus zum Kasten 54 über, um zu bewirken, dass der Stapel 12 in einer nassen Bedingung betrieben wird, d. h. einen höheren Feuchtigkeitsgrad aufweist, als er diesen normalerweise aufweisen würde, wenn er mit der gegenwärtigen Stapelbetriebsbedingung betrieben werden würde. Während der Bedingung für den Nassbetrieb ist der Feuchtigkeitsgrad innerhalb des Stapels typischerweise größer als 100%, so dass flüssiges Wasser an den Zellelektroden vorhanden ist. Jedes Verfahren zum Bewirken, dass der Stapel 12 in einer Nassbetriebsbedingung arbeitet, kann verwendet werden, inklusive dem Steigern des Feuchtigkeitstransfers von der WVT-Einheit 24 zu dem Kathodeneinlassluftfluss oder das Reduzierten der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 durch die Drehzahl der Pumpe 36 oder der Kühlkapazität des Radiattors 38. Das Betreiben des Stapels 12 in der Nassbedingung benötigt typischerweise nur wenige Sekunden, bevor der Stapel 12 für den nächsten Schritt zur Spannungswiedererlangung fertig ist.
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Der nächste Schritt im Kasten 56 dient zum Anlegen eines niedrigen Spannungspotenzials an den Stapel 12, um die Kontaminanten von der Katalysatoroberfläche der Zellelektroden freizugeben und die Kontaminanten in flüssigem Wasser löslicher zu machen. Dieser Schritt kann zu jeder geeigneten Zeit ausgeführt werden, beispielsweise, wenn das Fahrzeug sich im Leerlaufbetrieb befindet. Wenn das Brennstoffzellensystem sich in einem Leerlaufbetrieb beispielsweise befindet, beispielsweise wenn das Brennstoffzellenfahrzeugs 46 an einer roten Ampel hält, wobei der Brennstoffzellenstapel 12 keine Leistung erzeugt, um die Systemgeräte zu betreiben, werden Luft und Wasserstoff im Allgemeinen immer noch an den Brennstoffzellenstapel abgegeben und der Brennstoffzellenstapel 12 kann eine Ausgangsleistung erzeugen. Wenn der Steueralgorithmus konfiguriert ist, um die Spannungswiedererlangung nur dann auszuführen, wenn das Fahrzeug sich im Leerlaufbetrieb befindet, dann wird der Auslöser für die Stapelwiedererlangung im Kasten 52 einmal betätigt, und der Algorithmus kann warten, bis der nächste Leerlaufbetrieb kommt, um im Kasten 54 das Verfahren zur Stapelniederspannung auszuführen.
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Eine Technik zum Bereitstellen der Niederspannung ist es, die Kathodenseite des Stapels 12 an Sauerstoff zu verarmen. Das Verhältnis für den Betrag an Sauerstoff zu dem von dem Stapel 12 erzeugten Strom ist als Kathodenstöchiometrie bekannt. Während eines normalen Betriebs eines Brennstoffzellenstapels liefert der Kompressor 20 typischerweise genug Luft, um ungefähr den doppelten Betrag an Sauerstoff zu liefern, der notwendig ist, für die jeweilige gewünschte Stapelstromdichte, was eine Kathodenstöchiometrie von 2 ist. Während des Verfahrens zur Spannungswiedererlangung fließt ein fester Betrag an Luft von dem Kompressor 20 durch die Katode und die Last 44, beispielsweise eine Fahrzeugbatterie, wird verwendet, um den korrespondierenden Betrag an Strom von dem Stapel 12 zu ziehen für diesen Kathodensauerstoffgrad, welcher eine Kathodenstöchiometrie von 1 ist, was dazu führt, dass die Kathode an Sauerstoff verarmt ist. Da die Katode an Sauerstoff verarmt ist, kann die Brennstoffzellenreaktion nicht unterstützt werden und die Stapelspannung beginnt, zusammenzubrechen. Diese Niedrigspannungsbedingung kann stabil für eine kurze Zeitdauer aufrechterhalten werden. In einer nichteinschränkenden Ausführungsform wird die Niedrigspannungsbedingung für ungefähr 10 Sekunden ausgeführt. Die Niedrigspannungsbedingung betreibt die Abgabe der Kontaminanten von den Elektrodenoberflächen in das Wasser, das sich gegenwärtig an den Stapelelektroden befindet.
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Der nächste Schritt im Kasten 58 ist es, das Wasser durch den Stapel 12 fließen zu lassen, so dass das flüssige Wasser, das an der Elektrode vorhanden war und Kontaminanten absorbiert hat, aus dem Stapel 12 auszuspülen, bevor das Wasser verdampft und sich die Kontaminanten wieder an den Stapelelektroden ablagern. Dieser Schritt wird durch Aufrechterhalten des Nassbetriebs des Brennstoffzellenstapels 12 ausgeführt, nachdem die niedrige Spannung an dem Stapel 12 angelegt wurde. Insbesondere wird die Bestimmung, ob der Stapel 12 unter einer Bedingung, die nass genug war, für eine Zeit, die ausreichend war, gemacht, in dem die Stapelstromdichte nach dem Niederspannungsschritt überwacht wird.
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Das Liefern von Wasserstoff an den Brennstoffzellenstapel 12, wenn dieser im Leerlaufbetrieb ist, ist generell verschwenderisch, da das Betreiben des Stapels 12 unter dieser Bedingung keine besonders nutzvolle Arbeit, wenn überhaupt, verrichtet. Für diese und andere Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems kann es wünschenswert sein, das System 10 in einen Stand-by-Betrieb zu versetzen, wobei das System 10 wenig oder gar keine Leistung aufnimmt, die Quantität an Wasserstoffbrennstoff, welche verbraucht wird, minimal ist und das System schnell aus dem Stand-by-Betrieb wieder erwachen kann, um so die Systemeffizienz zu steigern und die Systemdegradation zu reduzieren. Betriebsbedingungen für das Versetzen des Stapels 12 in einem Stand-by-Betrieb sind aus dem Stand der Technik bekannt. Wenn sich das Fahrzeug 46 in einem Stand-by-Betrieb befindet und der Niederspannungsschritt beendet worden ist, wartet der Algorithmus, bis der Stand-by-Betrieb beendet worden ist, bevor der Schritt des Wasserausspülens beginnt. Der Schritt des Wasserausspülens wird einige Minuten, nachdem das Verfahren zur Wiedererlangung vollendet wurde, ausgeführt.
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Da dieses Verfahren zur Spannungswiedererlangung, während dem das Fahrzeug 46 betrieben wird, nur einen geringen Betrag an Spannung, beispielsweise 5 mV, wiedererlangt, kann der Algorithmus eine Reihe von Schritten für die Spannungswiedererlangung, beispielsweise fünf, ausführen, um möglichst den gesamten Betrag an wiedererlangungsbarer Stapelspannung wiederzuerlangen. Dazu inkrementiert der Algorithmus einen Zähler im Kasten 60 und bestimmt dann, ob die Zählung die gewünschte Anzahl von Wiedererlangungsverfahren in der Entscheidungsraute 62 erreicht hat. Wenn der Algorithmus bestimmt, dass der Zähler nicht die gewünschte Anzahl in der Entscheidungsraute 62 erreicht hat, kehrt der Algorithmus zu dem Kasten 54 zurück, um den Nassbetrieb des Fahrzeugs ein weiteres Mal zu implementieren. Wenn der Zähler die gewünschte Anzahl in der Entscheidungsraute 62 erreicht hat, dann geht der Algorithmus zu dem Kasten 52, um auf die nächste Zeit zu warten, bei der die Sequenz zur Wiedererlangung der Stapelspannung initiiert wird.
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In einer anderen Ausführungsform wird der Niederspannungsschritt im Kasten 56 ausgeführt, wenn das Fahrzeug 46 abgeschaltet wird. Nach dem Niederspannungsschritt wartet der Algorithmus auf das Fahrzeug 46, um zurückgebracht zu werden, um den Ausspülungsschritt im Kasten 58 auszuführen. Wenn diese Zeitperiode zu lang ist, wobei die Zellenmembranen ausgetrocknet sind und die Kontaminanten sich an den Elektroden wieder angelagert haben, dann verwirft der Algorithmus das Wiedererlangungsereignis als ein Ereignis von Ereignissen, die Teil der Reihe sind. Demzufolge kann sowohl ein Wiedererlangungsereignis in einem Stand-by-Modus als auch in einem Fahrzeugabschaltwiedererlangungsereignis Teil der gleichen Serie von Ereignissen sein.
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Es können verschiedene verlängerte Zeiten vorliegen, bei denen der Betrieb des Fahrzeugs eine Situation, bei der der Stapel 12 nass betrieben werden kann, nicht gestattet ist, um nass genug zu sein, um das Verfahren zur Spannungswiedererlangung, das oben diskutiert wurde, durchzuführen. Beispielsweise kann es unter kalten klimatischen Betriebsbedingungen, wobei die Fahrgastzelle geheizt werden muss, unmöglich sein, den Stapel 12 bei einer Temperatur zu betreiben, die niedrig genug ist, um die Bedingungen für einen nassen Stapel zu liefern und immer noch in der Lage zu sein, die erforderliche Wärme zu liefern, die notwendig ist, um die Fahrgastzelle des Fahrzeugs 46 zu heizen. Demzufolge kann es unmöglich sein während der gesamten Winterjahreszeit die Spannungswiedererlangung während einer Stapeloperation auszuführen. Darüber hinaus kann es in Umgebungen mit hohen Temperaturen unmöglich sein, die Temperatur des Stapels 12 so zu reduzieren, dass der Feuchtigkeitsgrad oberhalb 100% liegt. Ferner können auf dem Fahrzeug verschiedene Diagnosen ausgeführt werden, um das Verfahren zur Spannungswiedererlangung zu verhindern. Unter diesen Bedingungen kann das Fahrzeug 46 zu einem Wartungszentrum genommen werden, um das Verfahren zur Spannungswiedererlangung auszuführen, wobei das Fahrzeug nicht gefahren wird.
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3 ist ein Flussdiagramm 70, das ein Verfahren zum Entfernen von Kontaminanten von dem Brennstoffzellenstapel 12 zeigt, um einen Spannungsverlust wiederzuerlangen, während das Fahrzeug 46 gewartet wird und demnach nicht normal betrieben wird. Ein Wartungstechniker verbindet zuerst ein Wartungsgerät, beispielsweise ein Steuergerät, mit dem Fahrzeug 46, um das Verfahren zur Spannungswiedererlangung im Kasten 72 zu initiieren und auszuführen. Wenn die Spannungswiedererlangung initiiert wird, läuft der Stapel 12 zunächst im Kasten 74 nass in derselben Art, wie oben beschrieben. Die Niederspannungsbedingung wird dann im Kasten 76 implementiert und kann in der oben im Kasten 56 diskutierten Weise ausgeführt werden. Allerdings wird die Niederspannungsbedingung für eine längere Zeit ausgeführt anstelle von 10 Sekunden, beispielsweise 1 Minute, um zu ermöglichen, dass mehr Kontaminanten entfernt werden können. Der Ausspülungsschritt wird dann im Kasten 78 wie oben ausgeführt und kann ebenfalls für eine längere Zeitdauer ausgeführt werden. Das Verfahren zur Wiedererlangung wird für dieselbe Anzahl von Ereignissen, nämlich fünf, ablaufen, da aufgrund der Ausführung der Schritte für eine längere Zeitdauer mehr Stapelspannung wieder erlangt wird, beispielsweise 30–40 mV. Lasten auf dem Fahrzeug, beispielsweise der Belüftungsradiator, der Kompressor, die Kühlmittelpumpe, die Batterieauflageschaltung etc. können dazu verwendet werden, die Leistung aus dem Stapel 12 während des Wartungsverfahren zur Wiedererlangung aufzunehmen. Die Wiedererlangung bei der Wartung muss nicht besonders häufig vorgenommen werden, beispielsweise alle zwei Jahre.
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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 Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus der Diskussion und 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 in den folgenden Patentansprüchen definiert ist.
