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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels in Reaktion auf einen Verlust eines Zellspannungssignals und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels in Reaktion auf einen Verlust eines Zellspannungssignals, welches das Bestimmen, ob die Zelle, bevor das Signal verloren gegangen ist, korrekt gearbeitet hat.
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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 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 (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 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 aufweisen. 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 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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Sobald ein Brennstoffzellenstapel altert, degradiert die Leistungsfähigkeit der einzelnen Zellen in dem Stapel aufgrund verschiedener Faktoren unterschiedlich. Darüber hinaus gibt es verschiedene Stapelbetriebsbedingungen, die bewirken, dass die Zellen unterschiedlich arbeiten. Es gibt verschiedene Ursachen für schlecht arbeitende Zellen, so zum Beispiel Zellfluten, Verlust an Katalysator etc., wobei einige vorübergehend und einige permanent vorliegen, einige eine Wartung erfordern und einige den Ersatz des Stapels erfordern, um die schlecht arbeitenden Zellen auszutauschen. Obwohl die Brennstoffzellen elektrisch miteinander in Reihe gekoppelt sind, sinkt die Spannung jeder einzelnen Zelle unterschiedlich ab, sobald eine Last über den Stapel gekoppelt ist, wobei diejenigen Zellen, die schlecht arbeiten, niedrigere Spannungen aufweisen. Da alle Brennstoffzellen miteinander elektrisch in Reihe gekoppelt sind, fällt der gesamte Stapel aus, wenn eine Brennstoffzelle in dem Stapel ausfällt. Darüber hinaus muss jede Zelle den Brennstoffzellenstapelstrom erzeugen, da die Zellen miteinander elektrisch in Reihe gekoppelt sind. Wenn eine Zelle an Reaktanten verarmt ist, insbesondere an Wasserstoff, wird die Spannung für diese Zelle abfallen und unerwünschte Nebenreaktionen können auftreten. Demzufolge ist es notwendig, die Spannungen der Brennstoffzellen in einem Stapel separat zu überwachen, um sicher zu gehen, dass die Spannungen der Zellen nicht unter einen vorbestimmten Spannungsschwellwert abfallen, um einen Zellspannungspolaritätsumkehrwechsel vorzubeugen, der möglicherweise einen permanenten Schaden an der Zelle verursacht.
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Zellspannungsüberwachungen oder Stapelfunktionstüchtigkeitsüberwachungen werden dazu verwendet, die Spannung der Brennstoffzellen in dem Stapel zu messen, um ein Verhalten in den Zellen zu registrieren, das Probleme in dem Stapel anzeigt. Die Zellspannungsüberwachung umfasst allgemein eine elektrische Verbindung zu jeder Bipolarplatte oder zu einer gewissen Anzahl von Bipolarplatten in dem Stapel und zu den Endplatten des Stapels, um ein Spannungspotenzial zwischen der positiven Seite und der negativen Seite jeder Zelle zu messen. Demzufolge kann ein Stapel mit 400 Zellen 401 Drähte umfassen, die mit dem Stapel verbunden sind. Wenn die Zellspannungsüberwachung ausfällt, ist es nicht möglich, einen Spannungsabfall zu registrieren, und das System kann nicht mehr mit einer Leistungsbegrenzung oder einem Wechsel der Systembetriebsbedingungen reagieren. Ein Weiterbetrieb mit schadhaften Zellen kann den Katalysator, insbesondere an der Anode degradieren und potentiell zu einem Zellenkurzschluss und internen Wasserstofflecks führen.
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Die verschiedenen Verbindungen der Brennstoffzellenplatten oder anderer Strukturen auf dem Brennstoffzellenstapel können ausfallen oder auf eine andere Art beschädigt werden, wobei ein Signal für eine einzelne Zelle oder eine Gruppe von Zellen verloren gehen kann. Im Fall, dass das Spannungssignal von einer Zelle oder einer Gruppe von Zellen in dem Stapel verloren gegangen ist, muss das Brennstoffzellensystem einige Korrekturen am Systembetrieb vornehmen, möglicherweise den Stapel mit einer niedrigeren als der wünschenswerten Leistungsfähigkeit und Effizienz betreiben, so dass in dem Fall, dass eine Zelle oder eine Gruppe von Zellen, die nicht überwacht wird, anfängt, Spannung zu verlieren, die Wahrscheinlichkeit, dass ein ernsthafter Schaden an dem Stapel auftreten könnte, reduziert wird. In Abhängigkeit von den Umständen der Stapelbetriebsbedingungen kann das System im Fall eines Spannungssignalverlustes einer Zelle dahingehend ausgelegt sein, starke Leistungsbeschränkungen vorzusehen, um einen Stapelschaden zu verhindern.
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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 selektiven Betreiben eines Brennstoffzellenstapels in Reaktion auf einen Verlust eines Spannungssignals von einer oder mehreren Brennstoffzellen in dem Stapel offenbart. Wenn das Spannungssignal von einer oder mehreren Brennstoffzellen verloren gegangen ist, führt das Verfahren eine oder mehrere Gegenmaßnahmen aus, um den Brennstoffzellenstapel in einer für die Stapellebensdauer verträglicheren Bedingung zu betreiben. Das Verfahren bestimmt dann, ob die Zelle oder die Zellen, deren Spannungssignal verloren gegangen ist, funktionstüchtig war, beispielsweise ob diese über einem vorbestimmten Spannungsschwellwert vor dem erwähnten Spannungssignalverlust gearbeitet hat. Wenn das Zellspannungssignal über dem Spannungsschwellwert lag, dann wird der Brennstoffzellenstapel unter den Gegenmaßnahmen normal betrieben, und wenn das Spannungssignal unter dem Spannungsschwellwert lag, dann wird der Brennstoffzellenstapel in einem leistungsbegrenztem Betrieb betrieben.
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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 einfache Darstellung eines Brennstoffzellensystems; und
- 2 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Reagieren auf den Verlust eines Zellspannungsüberwachungssignals 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 Betreiben eines Brennstoffzellenstapels in Reaktion auf einen Verlust eines Zellspannungsüberwachungssignals gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken.
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1 ist ein einfaches schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 12 mit einer Reihe von Brennstoffzellen 38. Ein Kompressor 14 liefert einen Luftfluss an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Kathodeneingangsleitung 16 durch beispielsweise eine Wasserdampftransfereinheit (WVT) 18, die die Kathodeneingangsluft befeuchtet. Ein Kathodenabgas wird von dem Stapel 12 auf einer Kathodenabgasleitung 20 ausgelassen, welche das Kathodenabgas zu der WVT-Einheit 18 leitet, um die Wassermenge zu liefern, um die Kathodeneingangsluft zu befeuchten, was aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Der Brennstoffzellenstapel
12 erhält ferner Wasserstoff von einer Wasserstoffquelle
26, die ein Wasserstoffgas an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels
12 oder an eine Anodeneingangsleitung
28 beispielsweise einen Injektor
30 liefert. Ein Anodenabgas wird von dem Brennstoffzellenstapel
12 auf einer Rezirkulationsleitung
32 ausgelassen, welche das Anodenabgas zurück zu dem Anodeneinlass rezirkuliert, indem jene dieses an den Injektor
30 liefert, der als ein Injektor/Ejektor arbeiten kann, was aus dem Stand der Technik bekannt ist. Ein geeignetes Beispiel für einen Injektor/Ejektor wird in der
US 7,320,840 B2 mit dem Titel „Kombination eines Injektor-Ejektors für Brennstoffzellensysteme“ beschrieben, welche auf den Anmelder dieser Patentanmeldung eingetragen ist und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert wird. In einer anderen Ausführungsform könnte die Funktionalität der Rezirkulationsleitung
32 durch eine Pumpe oder einen Kompressor anstatt eines Injektor/Ejektor übernommen werden. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, reichert sich Stickstoff an der Anodenseite des Stapels
12 an, welcher dort die Konzentration an Wasserstoff reduziert und die Leistungsfähigkeit des Systems
10 beeinträchtigt. Ein Entlüftungsventil
34 ist in der Rezirkulationsleitung
32 vorgesehen, um periodisch das Abgas und die Flüssigkeit zu entlüften, um den Stickstoff aus dem Anodensubsystem zu entfernen. Das entlüftete Anodenabgas wird auf einer Entlüftungsleitung
36 der Kathodenabgasleitung
20 zugeführt.
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Das System 10 beinhaltet ferner ein thermisches Subsystem mit einer Pumpe 24, die ein Kühlmittel durch die Kühlmittelflusskanäle innerhalb des Stapels 12 und eine Kühlmittelschleife 22 außerhalb des Stapels 12 pumpt.
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Das System 10 umfasst ferner eine Zellspannungsüberwachung 40, die die Spannung jeder einzelnen Zelle 38 innerhalb des Stapels 12 überwacht. Die Zellspannungsüberwachung 40 ist als eine allgemeine Darstellung für jede geeignete Zellspannungsüberwachungsschaltung oder ein System gedacht, welches die verschiedenen elektrischen Verbindungen, optischen Verbindungen etc. zu geeigneten Strukturen oder Elementen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 bereitstellt, beispielsweise einen physischen Draht, der zu allen Bipolarplatten gekoppelt ist, welche die Brennstoffzellen 38 in dem Brennstoff zellenstapel 12 voneinander trennen.
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Eine Technik zum Bestimmen der Membranfeuchtigkeit ist aus dem Stand der Technik als Hochfrequenzwiderstandsbefeuchtungsmessung (HFR) bekannt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine HFR-Schaltung 42, um eine HFR-Messung bereitzustellen, die dazu gedacht ist, jede geeignete HFR-Messschaltung, die aus dem Stand der Technik bekannt ist, darzustellen. HFR-Feuchtigkeitsmessungen werden durchgeführt, indem ein Hochfrequenzanteil oder ein Signal an der elektrischen Last des Stapels 12 angelegt wird, so dass eine Hochfrequenzwelligkeit auf dem Ausgangsstrom des Stapels 12 erzeugt wird, wobei das Frequenzsignal typischerweise 500 Hz bis 10 kHz beträgt. Der Widerstand des Hochfrequenzanteils wird dann mit der Schaltung 42 gemessen, welcher eine Funktion des Feuchtigkeitsgrades der Membranen in dem Stapel 12 ist. Der Hochfrequenzwiderstand ist eine gut bekannte Eigenschaft der Brennstoffzellen und steht in enger Beziehung zu dem ohmschen Widerstand oder dem Protonenwiderstand der Membranen der Brennstoffzellmembranen. Der ohmsche Widerstand selbst ist eine Funktion für den Grad der Brennstoffzellenmembranfeuchtigkeit. Demzufolge kann der Grad der Feuchtigkeit der Brennstoffzellmembranen durch Messen des Hochfrequenzwiderstands der Brennstoffzellenmembranen des Brennstoffzellenstapels 12 innerhalb eines spezifischen Bandes von Erregerstromfrequenzen bestimmt werden.
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Ein Steuergerät 44 steuert den Betrieb des Systems 10, welches die Pumpe 24, den Kompressor 14, die Ventile 30 und 34 etc. umfasst, und empfängt das Hochfrequenzwiderstandssignal von der Hochfrequenzwiderstandsschaltung 42 und die Spannungssignale von der Zellspannungsüberwachung 40.
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Die vorliegende Erfindung schlägt eine Technik zum Adressieren der Situation vor, bei der die Zellspannungsüberwachungsschaltung 40 das Spannungssignal von einer Zelle oder einer Gruppe von Zellen 38 verliert. Das Steuergerät 44 bestimmt, wie gut sich die Zellen 38 vor dem Verlust des Signals verhalten haben, und wenn die Zellen 38 funktionstüchtig und in ihrem Verhalten korrekt waren, gestattet das Steuergerät 44 weiterhin ein normales Stapelpowermanagement, aber mit einer oder mehreren Gegenmaßnahmen, die bewirken, dass der Stapel 12 sicherer arbeitet. Wenn eine oder mehrere Stapelzellen 38 vor dem Verlust des Spannungssignals nicht funktionstüchtig waren, wird das Steuergerät 44 die Leistung des Stapels 12 begrenzen, um sicher zu gehen, dass kein anhaltender Schaden in dem Stapel 12 auftritt. Die Unterscheidung zwischen einer funktionstüchtigen und einer nicht funktionstüchtigen Zelle kann in jeder geeigneten Art und Weise vorgenommen werden, beispielsweise durch Betrachtung des absoluten Wertes der minimalen Zellspannung, der Differenz zwischen der minimalen Zellspannung und der mittleren Zellspannung, der Differenz zwischen der minimalen Zellspannung und der maximalen Zellspannung, der Standardabweichung der Zellspannungen oder irgendeiner dazu analogen Messung der Zellspannung.
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Wenn der Stapel 12 vor dem Verlust des Spannungssignals stabil ist, gibt es keinen Grund zu der Annahme, dass der Stapel 12 plötzlich instabil werden würde. Wenn die Zellen 38 tatsächlich keine genügend hohe Spannung besitzen, würde irgendein Anzeichen für eine niedrige Spannung an zumindest einer der Zellen 38 vor dem Auftritt des Spannungsverlustes erfolgen. Demzufolge wird eine weniger einschneidende Maßnahme vorgenommen, wenn der Stapel 12 kurz vor dem Signalverlust funktionstüchtig und stabil war, als wenn eine schlechte Leistungsfähigkeit vorlag, da der Signalverlust eher dem Zellspannungsüberwachungsgerät 40 als den Zellen 38 selbst zugeordnet werden kann.
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Egal, ob der Stapel 12 funktionstüchtig oder nicht funktionstüchtig ist, wird das Steuergerät 44 den Stapel 12 unter den Gegenmaßnahmen betreiben. Diese Gegenmaßnahmen würden wahrscheinlich von dem jeweiligen System und/oder den jeweiligen Systembetriebsbedingungen ausgehen. Beispiele für Gegenmaßnahmen umfassen das Erhöhen des Sollmolenbruchs des Anodenwasserstoffs, um das Risiko einer Brennstoffzellenverarmung zu reduzieren, und das Ändern des Stapelfeuchtigkeitssollpunktes, um in einem sicheren Bereich, d.h. nicht zu trocken und nicht zu feucht, weiter zu laufen. Betriebsoperationen, wie beispielsweise das Durchleiten des Kühlmittelflusses mit der Pumpe 24, die verwendet werden kann, um Systemressourcen zu sparen, könnten gestoppt werden, da es keine Möglichkeit geben würde, den Effekt des Durchleitens des Kühlmittelflusses auf die Zellspannung zu erkennen.
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Es kann wünschenswert sein, das System in einen Stand-by-Betrieb zu versetzen, wobei das System
10 wenig oder gar keine Leistung aufnimmt, der Betrag an Wasserstoffbrennstoff, der verbraucht wird, minimal ist, und das System
10 schnell aus dem Stand-by-Betrieb genommen werden kann, um die Systemeffizienz zu steigern und die Systemdegradation zu reduzieren. Die US-Patentanmeldung
US 2011/0087389 A1 mit der Seriennummer 12/723,261 mit dem Titel „Stand-by-Betrieb zur Optimierung der Effizienz und der Lebensdauer einer Brennstoffzellenfahrzeuganwendung“, angemeldet am 12. März 2010 und eingetragen auf den Anmelder 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. Als Teil der Gegenmaßnahmen könnte der Stand-by-Betrieb unterbunden werden, bis die Zellspannungsüberwachung
40 wieder korrekt arbeitet, da der Stand-by-Betrieb das Verarmen der Kathode an Luft mit sich bringt, da es keine Möglichkeit gibt, darüber Kenntnis zu erlangen, ob das System korrekt aus dem Stand-by-Betrieb zurückgeführt wurde.
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Darüber hinaus könnte das Steuergerät
44 eine Zellspannungserholung verhindern, die mit sich bringt, dass der Stapel
12 sehr nass betrieben und vorsätzlich an Sauerstoff verarmt wird. Die US-Patentanmeldung
US 2011/0091781 A1 mit der Seriennummer 12/580,912 , angemeldet am 16. Oktober 2009 mit dem Titel „Automatisiertes Verfahren zum Ausführen eines In-Situ-Brennstoffzellenstapelrekonditionierens“, eingetragen auf den Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert, offenbart ein System und ein Verfahren zum Rekonditionieren eines Brennstoffzellenstapels, welches das Erhöhen des Feuchtigkeitsgrades der Kathodenseite des Stapels beinhaltet, um die Zellenmembranen zu hydratisieren, und das Zuführen von Wasserstoff an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels bei einer Systemabschaltung beinhaltet, wobei das System die Auslöser für ein Rekonditionierereignis, die Schwellwerte für das Rekonditionieren und die Systemüberprüfungen für das Rekonditionieren überwacht, so dass das Rekonditionierverfahren während des Fahrzeugbetriebs vorgenommen werden kann.
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Wenn alle Zellen 38 korrekte Spannungssignale liefern, könnte der Fehler verworfen werden und der Stapel 12 würde weiterhin normal betrieben werden.
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Bei einem funktionstüchtigen Stapel wird die Zellspannungsüberwachungsdiagnose die minimale Zellspannung in dem Zeitintervall vor dem Verlust des Zellspannungssignal aufnehmen. Wenn die Spannung über 450 mV oder einem anderen Schwellwert, der für das jeweilige System geeigneter ist, liegt, kann das System 10 ungefähr 20 Sekunden benötigen, um eine Störung der Zellspannungsüberwachung 40 festzustellen. Wenn eine Abschaltung während dieser 20 Sekunden für die Zeitdauer einer Störungsprüfung gefordert wird, kann die Diagnoseeinrichtung die Spannungsüberwachung früher auf „gestört“ setzen, um zu vermeiden, dass der Sensor beim nächsten Start fehlerhaft arbeitet. Die Feststellung einer Störung der Überwachung 40 während eines Startbetriebs könnte einschneidende Leistungseinschränkungen bewirken, wie unten gezeigt wird. Wenn die Störung aktiv ist, müssen Maßnahmen unternommen werden, um den Stapel 12 weiterhin so robust wie möglich zu betreiben. Die funktionstüchtige Stapelspannungsverlustüberwachungsdiagnostik wird über die Starts gesperrt. Nachdem der Stapel 12 mit dieser Diagnostik einen Start durchläuft, kann dieser ohne Leistungsbegrenzung laufen. Der Stapel ist aber den hier beschriebenen Bedingungen unterworfen, bis die Zellüberwachungsdiagnostik fehlerfrei arbeitet.
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Auch wenn die Zellen 38 vor dem Verlust eines Zellspannungsüberwachungssignals normal gearbeitet haben, wird das System 10 „blind“ mit diesen Zellen 38 laufen, wenn das Signal verloren gegangen ist. Probleme könnten zu jeder Zeit in Unkenntnis der Zellspannungsüberwachung 40 und ohne Vornehmen der geeigneten Maßnahmen entstehen. Je länger das System 10 mit dem Signalverlust betrieben wird, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Stapelschaden auftreten kann.
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2 ist ein Flussdiagramm 50, das ein Verfahren zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 im Falle, dass ein oder mehrere Spannungssignale, die von den Brennstoffzellen 38 an die Zellspannungsüberwachung 40 in der oben erwähnten Art ausgefallen sind, zeigt. Das Steuergerät 44 überwacht die Spannungssignale von der Zellspannungsüberwachung 40 und kann im Kasten 52 bestimmen, dass eines oder mehrere dieser Signale aus einem oder mehreren der hier diskutierten Gründe verloren gegangen sind. Im Fall, dass dies passiert, nimmt das Steuergerät 44 zwei Aktionen vor. Die erste Aktion, die im Kasten 54 dargestellt ist, besteht tatsächlich aus einer Vielzahl von Gegenmaßnahmen in Reaktion darauf, dass nicht bekannt ist, ob die Zellen 38, die nicht länger von der Zellüberwachung 40 überwacht werden, korrekt arbeiten. Wie oben erwähnt, können diese Gegenmaßnahmen eine oder mehrere Änderungen der Kathodenstöchiometrie des Stapels 12, so dass eine niedrige Zellspannung sich wahrscheinlich nicht noch weiter verschlechtern würde, das Betreiben des Stapels 12 bei einem sicheren Feuchtigkeitsgrad, der ein wenig höher oder niedriger sein kann, als er normalerweise für die jeweilige Stapelbetriebsbedingung vorgesehen ist, so dass eine Zelle mit einer niedrigen Spannung weniger wahrscheinlich weiter absinken würde, das Begrenzen von Leistungstransienten, so dass Anfragen für eine hohe Leistung weniger schnell auftreten würden, das Verhindern eines Stand-by-Betriebs, das Verhindern von Durchleiten eines Kühlmittel etc., umfassen.
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Darüber hinaus können die HFR-basierenden Strombegrenzungen reduziert werden, um konservativer zu sein und die Leistung schneller zu reduzieren, wenn der Stapel
12 anfängt auszutrocknen. Siehe zum Beispiel US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer
US 2011/0076581 A1 , eingetragen auf den Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert. Beispielsweise kann die normale Leistung auf 0,8 A/cm
2 bei 150 mΩ-cm
2 begrenzt werden. Beim Verlust eines Zellspannungssignals kann jedoch diese Leistung auf einen gewährbaren Strom von 0,4 A/ cm
2 begrenzt werden. Darüber hinaus kann eine unterschiedliche Stromhochfahrratengrenze, die HFRbasierend ist, verwendet werden. Ferner könnte der trockene Sollmolenbruch für den Anodenwasserstoff erhöht werden, um eine Verarmung der Anode weniger wahrscheinlich zu machen. Ein Wiederstart des Systems könnte zugelassen werden, aber das Hochfahren könnte länger dauern als normal, beispielsweise wenige Sekunden, um die Wahrscheinlichkeit dafür, dass alle Zellen
38 Reaktanten aufweisen und korrekt arbeiten, zu maximieren. Dies würde auch für das Verlassen eines Stand-by-Betriebs, wenn zugelassen, gelten. Ferner könnten die Betriebsbedingungen zu einem leicht trockeneren Betrieb geschaltet werden, um ein Anodenfluten zu vermeiden. Insbesondere könnten anstelle eines Betriebs bei 100 % von RH aus dem Stapel
12 die Betriebsbedingungen näher zu beispielsweise 85 % RH Ausgang aus dem Stapel
12 eingestellt werden. Der HFR-Stromgrenzschwellwert könnte dazu verwendet werden, um zu verhindern, dass der Stapel
12 zu trocken wird. Wenn das Spannungssignal verloren gegangen ist und eine Diagnose für das Anodenmassengleichgewicht zeigt, dass das System mehr Masse als erwartet verliert, könnte ein Abschalten implementiert werden, um sicher zu gehen, dass keine potentiellen thermischen Vorfälle bestehen, da der Zustand der Zelle
38 unbekannt ist und der schlimmste Fall angenommen werden muss. Siehe zum Beispiel die US-Patentanmeldungen mit den Veröffentlichungsnummern
US 2012/0156575 A1 und
US 2011/0274996 A1 , eingetragen auf den Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert. Die Zeitdauer für die Abschaltung kann länger sein als die Zeitdauern für das individuelle Anodenmassengleichgewicht und die Zellspannungsüberwachungsdiagnostiken. Dem Stapel
12 könnte gestattet werden, länger aufzuwärmen, bevor einem Benutzer oder Fahrer ein gesteuerter Betrieb gewährt werden könnte. Dies würde verhindern, dass der Stapel
12 zu „hart“ gefahren wird, wenn potentielle Vereisungsprobleme an der Anode vorliegen. Der Betrag an Leistung, der von dem Stapel
12 aufgenommen wird, könnte während eines Starts bei Frosttemperaturen reduziert werden. Dies kann bewirken, dass mehr Reaktanten in das Abgas gelangen und könnte zu längeren Aufwärmzeiten führen, aber es würde die Chancen für eine Verarmung der Anode reduzieren.
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Die oben geführte Diskussion für die Gegenmaßnahmen ist dazu gedacht, die Chance, dass eine Zelle oder eine Gruppe von Zellen 38, die normal gearbeitet haben, wenn das Zellspannungssignal verloren ging, ihre Funktionstüchtigkeit verlieren, indem sie zu wenig Spannung als Ergebnis des Systembetriebs haben, verlieren, während das Spannungssignal nicht zur Verfügung steht. Jede dieser allein oder in Kombination verwendeten Operationen sollte einen begrenzten Effekt darauf haben, ob der Fahrer des Fahrzeugs die Änderung bemerkt. Diese Maßnahmen erlauben jedoch nicht, dass das System 10 bei seiner maximalen Effizienz arbeitet, wozu möglicherweise eine langsamere Transientenzeit, ein schlechterer Brennstoffverbrauch des Systems, leicht längere Startzeiten, längere Wartezeiten für Kaltstarts, eine erhöhte Spannungsdegradation des Katalysators aufgrund eines trockenen Betriebs und fehlender Erholung und einer längeren Zeit, um den Stand-by-Betrieb wieder zu verlassen, sofern ein Stand-by überhaupt erlaubt ist.
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Während das Steuergerät 44 eine oder mehrere der oben diskutierten Gegenmaßnahmen im Kasten 54 implementiert, bestimmt das Steuergerät 44 auch, ob die Zelle oder Gruppe von Zellen 38 normal gearbeitet haben, wenn das Spannungssignal verloren gegangen ist, in der Entscheidungsraute 56. Wie von Fachleuten gut verstanden wird, werden die Spannungssignale von den Zellen 38 in dem Stapel 12 kontinuierlich überwacht und wenn die Spannung einer Zelle 38 anfängt abzufallen und danach aussieht, dass ein Problem mit dieser Zelle 38 vorliegen würde, unternimmt das Steuergerät 44 eine Maßnahme, um zu verhindern, dass die Zellspannung weiter abfällt, wozu das Begrenzen des Leistungsbetriebs des Stapels 12 im Fall einer stark niedrigen Zellspannung gehört. Wenn bestimmt wird, dass die Zellen oder die Gruppe von Zellen 38 nicht korrekt gearbeitet haben, d.h. wenn in der Entscheidungsraute 56 eine niedrige Spannung vorliegt, dann bewirkt das Steuergerät 44, dass das System 10 im Kasten 60 in einem leistungsbereiten Betrieb arbeitet.
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Das Verlieren der gesamten Zellspannungsüberwachung
40, wenn eine minimale Zellspannung niedrig ist, ist unwahrscheinlich, da diese zwei Ereignisse miteinander nicht in Beziehung stehen. Das Verlieren von genau einem der Signale einer Zelle
38, wenn eine niedrige minimale Zellspannung auftritt, ist wahrscheinlicher, da diese zwei Ereignisse miteinander in Beziehung stehen könnten, wenn die Zellspannungsüberwachung von der Gruppe von Zellen, die sie überwacht, versorgt wird. Siehe zum Beispiel US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer
US 2011/0200913 A1 , eingetragen auf den Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert. Wenn der Mittelwert von
16 Zellen unter einen bestimmten Schwellwert abfällt, beispielsweise 100 mV pro Zelle, wird die Zellspannungsüberwachung nicht funktionieren und nach einem Komponentenfehler aussehen. Es gibt gewisse Umstände dafür, das die Zellspannung so tief geht, die normalerweise kein Problem darstellen sollten, wozu die ersten Abschnitte eines Hochfahrens, die letzten Abschnitte einer Abschaltung, der Niederspannungsbetrieb als Teil einer Spannungswiedergewinnung und das meiste eines Stand-Bys und während Abschaltzeit gehören. In diesen Fällen wird die Zellspannungsüberwachung nicht gestört. Wenn unerwartet eine niedrige Spannung auftritt und die minimale Zellspannung niedrig ist, beispielsweise weniger als 450 mV beträgt, wird die Diagnose für einen nicht funktionstüchtigen Stapel ausgelöst.
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Im Kasten 60 würde die Stapelleistung drastisch begrenzt werden, wobei dieser Leistungsgrenzwert weniger als 10 % der normalen Leistung wäre. Die HFR-basierende Strombegrenzung könnte in derselben Art und Weise reduziert werden, wie sie oben diskutiert wurde, wobei die globale Leistungsbegrenzung wahrscheinlich die überschreitende Leistungsbegrenzung ist. Der trockene Molenbruchsollpunkt für den Anodenwasserstoff würde erhöht werden, um die Verarmung der Anode weniger wahrscheinlich zu machen. Die Betriebsbedingungen für den Stapel 12 würden zu einem trockeneren Sollpunkt verlagert werden genauso in der Art, wie oben erwähnt. Ein Wiederstart des Systems 10 würde gewährt werden, würde aber nicht in den normalen Betriebsmodus übergehen, solange die Zellspannungsüberwachung 40 nicht als funktionstüchtig erkannt werden würde. Eine Störungsdiagnose für das Massengleichgewicht an der Anode kombiniert mit einer Störungsdiagnose des Stapels könnte einen Schnellstopp auslösen, da Kurzschlüsse oder Wasserstofflecks zu befürchten sind. Wenn der Stapel 12 während des Aufwärmens des Systems von Temperaturen unterhalb Null eine mangelnde Funktionstüchtigkeit des Stapels erfährt, wird nicht zugelassen, dass das Fahrzeug wegfahren kann, solange bis die Diagnose eine Funktionstüchtigkeit ergibt. Gewährbare Hochtransientenraten würden reduziert werden, um die Unsicherheit für minimale Zellleistungsfähigkeit zu tragen. Diese Rate könnte gegenüber der Rate bei einem funktionstüchtigen Stapel unterschiedlich sein.
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Ein interessierender Fall, der nicht vollständig in all die oben diskutierten Kategorien passt, ist ein Hochlauf des Systems, bei dem alles im vorhergehenden Betrieb normal gelaufen ist, aber eine oder mehrere der Zellen 38 nicht funktionieren, wenn das System 10 wieder gestartet wird. Dies kann nicht definitiv an einer Störung der Zellspannungsüberwachung 40 aufgrund eines Fehlers in dieser Komponente liegen, da das System 10 nicht die Funktionstüchtigkeit des Stapelzustands überwachen konnte, wenn die Zellen 38 aufgehört haben, Signale abzugeben. Man kann nicht bestimmen, ob die Zellen 38 funktionstüchtig oder nicht funktionstüchtig in dem nicht überwachten Teil des Stapels 12 sind. Das Ausbilden von Eis innerhalb des Stapels 12 könnte eine Art gewesen sein, bei der die Zellspannungsüberwachung 40 ausgefallen ist, ohne dass ein Problem an der Elektronik vorliegt. In diesen Fällen kann es notwendig sein, dasselbe Vorgehen wie bei einem nicht funktionstüchtigen Stapel vorzunehmen. In diesem Fall würde man einen Start des Systems 10 zulassen aber ein wenig länger zu warten, um zu bestimmen, ob die Zellspannungsüberwachung 40 wieder vollständig funktioniert. Wenn dies nicht der Fall ist, würde man nicht zulassen, dass das System 10 damit fortfährt, betrieben zu werden. Wiederstarts könnten vorgenommen werden, um zu sehen, ob entweder die Elektronik wieder funktioniert oder ob die Eisblockade in dem Stapel, die die niedrigen Spannungen verursacht, geschmolzen ist.
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Im Fall, dass eine Zelle oder Gruppe von Zellen 38 als nicht funktionstüchtig vor dem Signalverlust bestimmt wurde, gestattet das Steuergerät 44 dem System 10 nur, in der niedrigen Leistungsbegrenzung zu laufen, sobald das Fahrzeug abgeschaltet ist, würde das Steuergerät 44 das Fahrzeug nicht in den Fahrbetrieb beim nächsten Hochlaufen lassen, ohne dass die verlorengegangenen Signale wieder empfangen werden und angezeigt wird, dass die Zellen 38 normal arbeiteten. Wenn die Zellen 38 korrekt arbeiteten, wenn das Signal verloren gegangen ist, dann nimmt das Steuergerät 44 an, dass sie immer noch korrekt arbeiten beim nächsten Hochlauf des Fahrzeugs und gestattet dem Fahrzeug, in den normalen Fahrbetrieb einzutreten, aber mit den implementierten Gegenmaßnahmen, wie oben erwähnt.
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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.
