DE102014204230A1

DE102014204230A1 - Einrichtung und verfahren für einen brennstoffzellen-standby-modus

Info

Publication number: DE102014204230A1
Application number: DE102014204230.5A
Authority: DE
Inventors: Milos Milacic; Hans Gangwar
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2014-09-18
Also published as: US9257707B2; US20140272657A1; CN104051762B; CN104051762A

Abstract

Es wird eine Einrichtung zum Versetzen eines Brennstoffzellenstapels in einen Standby-Modus bereitgestellt. Die Einrichtung umfasst einen Verdichter, einen Brennstoffzellenstapel, ein Kathodenventil und eine Steuervorrichtung. Der Verdichter ist zur Bereitstellung eines Kathodenstroms mit einem Lufteinlasssystem wirkgekoppelt. Als Reaktion auf den Kathodenstrom versorgt der Brennstoffzellenstapel eine Last mit elektrischer Energie. Das Kathodenventil ist zum Steuern einer Strömung des Kathodenstroms zum Brennstoffzellenstapel mit einem Auslass des Brennstoffzellenstapels wirkgekoppelt. Die Steuervorrichtung ist dazu konfiguriert, eine angeforderte Energiemenge für die Last zu empfangen und die angeforderte Energiemenge mit einer vorbestimmten Menge zu vergleichen. Die Steuervorrichtung ist ferner dazu konfiguriert, den Verdichter auf einen Betrieb mit einer Mindestdrehzahl zu steuern und das Kathodenventil dahingehend zu steuern, dass es sich als Reaktion darauf, dass bestimmt wird, dass die angeforderte Energiemenge der vorbestimmten Menge ähnlich ist, schließt.

Description

Hier offenbarte Ausführungsformen beziehen sich allgemein auf eine Einrichtung und ein Verfahren für einen Brennstoffzellen-Standby-Modus.
In der US-Veröffentlichung Nr. 2011/0087389 ("die Veröffentlichung '389") von Burleigh et al. werden ein System und ein Verfahren zum Versetzen eines Brennstoffzellenfahrzeugsystems in einen Standby-Modus offenbart. Die Veröffentlichung '389 offenbart ein System und ein Verfahren zum Versetzen eines Brennstoffzellenfahrzeugsystems in einen Standby-Modus, in dem wenig oder gar keine Energie verbraucht wird. Die Menge des verwendeten Kraftstoffs ist minimal und das Brennstoffzellensystem kann schnell aus dem Modus wiederanlaufen. Das Verfahren umfasst Bestimmen, ob vorbestimmte Standby-Modus-Eintrittskriterien für die Fahrzeugebene auf einer Fahrzeugsteuerebene erfüllt wurden und vorbestimmte Standby-Modus-Eintrittskriterien für die Brennstoffzellenebene für eine Brennstoffzellensystemsteuerebene erfüllt wurden. Das Verfahren umfasst weiterhin das Versetzen des Brennstoffzellenfahrzeugsystems in den Standby-Modus, wenn sowohl die Eintrittskriterien der Fahrzeugebene als auch die Eintrittskriterien der Brennstoffzellenebene erfüllt wurden. Das Verfahren verlässt den Standby-Modus, wenn vorbestimmte Exitkriterien der Fahrzeugebene erfüllt wurden oder vorbestimmte Exitkriterien der Brennstoffzellenebene erfüllt wurden.
Es wird eine Einrichtung zum Versetzen eines Brennstoffzellenstapels in einen Standby-Modus bereitgestellt. Die Einrichtung umfasst einen Verdichter, einen Brennstoffzellenstapel, ein Kathodenventil und eine Steuervorrichtung. Der Verdichter ist zur Bereitstellung eines Kathodenstroms mit einem Lufteinlasssystem wirkgekoppelt. Der Brennstoffzellenstapel empfängt den Kathodenstrom, um eine Last mit elektrischer Energie zu versorgen. Das Kathodenventil ist zum Steuern einer Strömung des Kathodenstroms zum Brennstoffzellenstapel mit einem Auslass des Brennstoffzellenstapels wirkgekoppelt. Die Steuervorrichtung ist dazu konfiguriert, eine angeforderte Energiemenge für die Last zu empfangen und die angeforderte Energiemenge mit einer vorbestimmten Menge zu vergleichen. Die Steuervorrichtung ist ferner dazu konfiguriert, den Verdichter auf einen Betrieb mit einer Mindestdrehzahl zu steuern und das Kathodenventil dahingehend zu steuern, dass es sich als Reaktion darauf, dass bestimmt wird, dass die angeforderte Energiemenge der vorbestimmten Menge ähnlich ist, schließt.
Es wird eine Einrichtung zum Versetzen eines Brennstoffzellenstapels in einen Standby-Modus bereitgestellt. Die Einrichtung umfasst einen Verdichter, einen Brennstoffzellenstapel, ein Kathodenventil und eine Steuervorrichtung. Der Verdichter beaufschlagt Umgebungsluft mit Druck, um einen Kathodenstrom bereitzustellen. Der Brennstoffzellenstapel empfängt den Kathodenstrom, um eine Last mit elektrischer Energie zu versorgen. Das Kathodenventil ist zum Steuern einer Strömung des Kathodenstroms zum Brennstoffzellenstapel mit einem Auslass des Brennstoffzellenstapels wirkgekoppelt. Die Steuervorrichtung ist dazu konfiguriert, eine angeforderte Energiemenge für die Last zu empfangen und die angeforderte Energiemenge mit einer vorbestimmten Menge zu vergleichen. Die Steuervorrichtung ist ferner dazu konfiguriert, den Verdichter auf einen Betrieb mit einer Mindestdrehzahl zu steuern und das Kathodenventil dahingehend zu steuern, dass es sich als Reaktion darauf, dass bestimmt wird, dass die angeforderte Energiemenge der vorbestimmten Menge ähnlich ist, schließt.
Es wird eine Einrichtung bereitgestellt, die einen Brennstoffzellenstapel, ein Ventil und eine Steuervorrichtung umfasst. Der Brennstoffzellenstapel empfängt einen Kathodenstrom, um eine Last mit Energie zu versorgen. Das Ventil steuert eine Strömung des Kathodenstroms zum Brennstoffzellenstapel. Die Steuervorrichtung ist dazu konfiguriert, eine angeforderte Energiemenge von der Last mit einer vorbestimmten Menge zu vergleichen und einen Verdichter auf einen Betrieb mit einer Mindestdrehzahl zu steuern und das Ventil dahingehend zu steuern, dass es sich schließt, wenn die angeforderte Energiemenge der vorbestimmten Menge ähnlich ist.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden insbesondere in den angehängten Ansprüchen dargelegt. Andere Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen werden jedoch durch Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich und am besten verständlich. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Einrichtung zum Versetzen eines Brennstoffzellenstapels in einem Standby-Modus gemäß einer Ausführungsform;
2 ein Verfahren zum Versetzen des Brennstoffzellenstapels in einen Standby-Modus gemäß einer Ausführungsform; und
3 eine Aufzeichnung, die die Einlass- und Auslassströmung für ein Luftventil gemäß einer Ausführungsform darstellt.
Wie erforderlich, werden hier detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen rein beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgestaltet werden kann. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstäblich; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details besonderer Komponenten zu zeigen. Die speziellen strukturellen und funktionalen Details, die hierin offenbart werden, sollen nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einem Fachmann zu lehren, wie Aspekte der vorliegenden Offenbarung auf verschiedene Weise einzusetzen sind.
Niedrigleistungsbetrieb eines Brennstoffzellenstapels (z. B. hohe Spannung und geringer Strom) führt im Allgemeinen zu einer höheren Katalysatorverschlechterung und Leistungsverlust. Darüber hinaus wird durch Hybridisierung von Brennstoffzellenantrieben ein Abschalten der Brennstoffzelle möglich. Bei Verwendung eines Schraubenverdichters zur Bereitstellung eines Kathodenstroms (oder Luftstroms) zum Brennstoffzellenstapel kann ein Anhalten eines solchen Verdichters während des Brennstoffzellenherunterfahrens zu einem luftarmen Zustand führen, der die Spannung des Stapels senkt und dadurch die Katalysatorverschlechterung reduziert. Bei Verwendung eines Turboverdichters (z. B. eines Turboladers/Aufladers) mit einem sich drehenden Verdichterrad (z. B. Zentrifugal-, Radial- oder Teilausstoß) zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrads stellt solch ein Turbolader/Auflader im Vergleich zum Schraubenverdichter möglicherweise keine ausreichende Abdichtung der Kathode bereit. Des Weiteren können die für den Verdichter gewählten Lager auch die Anlaufzeit des Verdichters beeinflussen. Beispielsweise kann bei Luftlagern ein Abschalten oder Einschalten des Verdichters sekundenlang dauern, da der Lagerzapfen sich stabil von der Folie abhebt oder auf dieser aufsetzt.
Ein Standby-Modus des Verdichters, bei dem der Verdichter mit einer gewissen Mindestdrehzahl betrieben wird, würde die Anlaufzeit reduzieren, jedoch zu einer hohen Zellenspannung führen. Bei den hier offenbarten Ausführungsformen wird in Erwägung gezogen, den Verdichter mit seiner Mindestdrehzahl laufen zu lassen, während ein Druckregler (oder Ventil), das mit einem Kathodenausgang des Brennstoffzellenstapels wirkgekoppelt ist, geschlossen ist (d.h., es könnte einen Austritt von 4 kg/h oder weniger geben). Während eines Brennstoffzellen-Standby-Modus (d.h. während der Verdichter mit einer Mindestdrehzahl betrieben wird und der Druckregler geschlossen ist und unter Einbezug von Leckluftstrom am Regler) bewirkt eine kleine Stromentnahme bei verschiedenen Brennstoffzellen einen großen Spannungsabfall. Mit dieser Implementierung kann es möglich sein, geringe Kraftstoffersparnisse im Standby-Modus, ein schnelleres dynamisches Ansprechen (z. B. für Verdichterlager keine Verzögerung beim Abheben) und Schutz des Brennstoffzellenstapels vor Ruhespannung (OCV – Open Circuit Voltage) oder hohen Zellenspannungen zu erzielen.
1 zeigt eine Einrichtung 10 zum Versetzen eines Brennstoffzellenstapels 12 in einen Standby-Modus gemäß einer Ausführungsform. Die Einrichtung 10 kann in Verbindung mit einem Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug 14 verwendet werden. Die Einrichtung 10 enthält ein Lufteinlasssystem 16 zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels 12 mit Umgebungsluft (z. B. einem Luftstrom oder Kathodenfluidstrom). Im Allgemeinen ist der Brennstoffzellenstapel 12 dazu konfiguriert, als Reaktion auf elektromechanisches Umwandeln von Wasserstoff (z. B. aus einem Tank) und Sauerstoff (z. B. aus dem Luftstrom) einen elektrischen Strom zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel 12 umfasst allgemein eine Anzahl von miteinander verbundenen Brennstoffzellen 15, wobei jede einen Teil der Gesamtmenge an von dem Brennstoffzellenstapel 12 bereitgestelltem elektrischem Strom erzeugt. Mehrere Lasten 13 sind für den Empfang des elektrischen Stroms (oder der elektrischen Energie) zum Verbrauchen und/oder Speichern der von dem Brennstoffzellenstapel 12 erzeugten Energie mit dem Brennstoffzellenstapel 12 wirkgekoppelt. Die Lasten 13 können eine Batterie oder eine andere elektrische Last sein.
Die Lasten 13 können auch einen Motor oder mehrere elektrische Fahrzeugkomponenten, die Energie verbrauchen, um für einen bestimmten Zweck zu laufen, umfassen. Solche Lasten 13 können beispielsweise mit einem Fahrzeugantriebsstrang; Klimatisierung für Insassen; Innen-/Außenbeleuchtung; Entertainmentvorrichtungen sowie Zentralverriegelung und automatischen Fensterhebern in Zusammenhang stehen, sind aber nicht darauf beschränkt. Die jeweiligen Arten der in dem Fahrzeug 14 implementierten Lasten 13 können auf der Basis der Fahrzeugausstattung, der Art des verwendeten Motors und der jeweiligen Art des implementierten Brennstoffzellenstapels variieren. Ein Stromsensor 21 misst den vom Brennstoffzellenstapel 12 erzeugten Strom. Eine Steuervorrichtung 20 empfängt die gemessenen Stromwerte vom Stromsensor 21. Die Steuervorrichtung 20 bestimmt auf der Basis des gemessenen Stroms von dem Stromsensor 21 die von den Lasten 13 angeforderte Energiemenge. Die Relevanz der von den Lasten 13 angeforderten Energiemenge wird im Folgenden genauer beschrieben.
Ein Verdichter 18 empfängt vom Lufteinlasssystem 16 den Luftstrom (oder gefilterte Umgebungsluft). Der Verdichter 18 beaufschlagt den Luftstrom mit Druck und leitet den Luftstrom zum Brennstoffzellenstapel 12. Die Steuervorrichtung 20 ist mit dem Verdichter 18 wirkgekoppelt und steuert die Drehzahl, mit der der Verdichter 18 betrieben wird. Der Brennstoffzellenstapel 12 enthält einen Ausgang 19 zum Ablassen von Luft daraus. Ein Kathodenregelventil (oder Luftregelventil) 22 ist zur Steuerung der zum Brennstoffzellenstapel 12 geleiteten Luftmenge mit der Steuervorrichtung 20 wirkgekoppelt.
Im Allgemeinen hängt die dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführte Menge an Wasserstoff und Luft (oder Sauerstoff) von der von den Lasten 13 benötigten Menge an Energie ab. Beispielsweise ist es zu Zeitpunkten, zu denen die Lasten 13 viel Energie vom Brennstoffzellenstapel 12 anfordern, wünschenswert, die Strömungsrate des Wasserstoffs und der Luft (oder des Sauerstoffs) zu erhöhen, so dass der Brennstoffzellenstapel 12 die angeforderte Menge an elektrischer Energie zum Antrieb der Lasten 13 erzeugen kann. In diesem Fall kann die Steuervorrichtung 20 den Verdichter 18 zur Beaufschlagung des Luftstroms mit Druck auf einen Betrieb mit der Solldrehzahl zu steuern und das Ventil 22 dahingehend zu steuern, dem Brennstoffzellenstapel 12 die Sollmenge an Luft zuzuführen. Darüber hinaus steuert die Steuervorrichtung 20 ein nicht gezeigtes Wasserstoffventil dahingehend, dass es das Zuführen der Sollmenge an Wasserstoff zum Brennstoffzellenstapel 12 ermöglicht. Der Brennstoffzellenstapel 12 erzeugt die Sollmenge an Energie mit Wasserstoff und Luft.
Zu Zeitpunkten, zu denen die von den Lasten 13 angeforderte Energiemenge unter einen vorbestimmten Wert fällt, steuert die Steuervorrichtung 20 (i) den Verdichter 18 auf einen Betrieb mit einer Mindestdrehzahl und (ii) das Ventil 22 dahingehend, sich zu schließen, wodurch die Versorgung des Brennstoffzellenstapels 12 mit Luft im Wesentlichen abgeschnitten wird (z. B. gibt es eine kleine Menge an Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 12 aufgrund des Austritts am Ventil 22, wenn dieses geschlossen ist, zugeführt wird). Solche geringen von den Lasten 13 angeforderten Energiemengen können anzeigen, dass das Fahrzeug 14 anhält oder sich in einem Leerlaufzustand (oder einem anderen Niederstrombetriebsmodus) befindet. In diesem Fall kann der Brennstoffzellenstapel 12 zum Einsparen von Kraftstoff (d.h. Wasserstoff) in einen Standby-Modus versetzt werden. Im Standby-Modus wird Wasserstoff langsam verbraucht, da der Strom niedrig ist.
Wie oben erwähnt, kann die Steuervorrichtung 20 den Verdichter 18 im Standby-Modus auf einen Betrieb mit einer Mindestdrehzahl steuern. Aufgrund dessen kann die Lageranlaufzeit beim Verdichter 18 beseitigt werden. Der Verdichter 18 kann als ein nicht gezeigter Verdichter mit Luftfolienlagern implementiert sein und die Art und Weise, auf die der Verdichter 18 die Anlaufzeit reduziert, wenn sich der Brennstoffzellenstapel 12 im Standby-Modus befindet, ist im Folgenden ausführlicher beschrieben.
Im Allgemeinen umfasst der Verdichter 18 mit Luftfolienlagern ein darin positioniertes zylindrisches Gehäuse mit einer gewellten Folie und einer oberen Folie. Ein Grundmaterial der gewellten Folie und der oberen Folie ist aus Stahl hergestellt. Die gewellte Folie ist zwischen der oberen Folie und dem Gehäuse positioniert. Die obere Folie umgibt einen sich drehenden Zapfen (oder eine sich drehende Welle) und ist mit einer Teflon^®-Beschichtung behandelt, um die Reibung daran bei Drehung der Welle in der oberen Folie zum Komprimieren (zur Druckbeaufschlagung) von Luft zu reduzieren. Die gewellte Folie und die obere Folie werden anstatt von Kugellagern verwendet. Bei Auslösung läuft die Welle auf einer oberen Fläche der oberen Folie und bei einer bestimmten Drehzahl hebt sie sich von der oberen Fläche ab und läuft auf einem dünnen Luftfilm. Durch den Betrieb des Verdichters 18 mit der Mindestdrehzahl bei Standby-Modus des Brennstoffzellenstapels 12 können dadurch die Zeit, die die Welle zum Abheben von der oberen Fläche der oberen Folie benötigt, beseitigt und die Anlaufzeit des Verdichters 18 (oder des Verdichters mit Luftfolienlagern) im Wesentlichen reduziert werden.
Wie oben erwähnt, steuert die Steuervorrichtung 20 zusätzlich dazu, dass sie den Verdichter 18 auf Betrieb mit einer Mindestdrehzahl steuert, das Ventil 22 dahingehend, sich zu schließen, wodurch die Strömung des Luftstroms zum Brennstoffzellenstapel 12 im Wesentlichen verhindert wird. Es ist jedoch zu verstehen, dass das Ventil 22 im geschlossenen Zustand immer noch eine gewisse Luftmenge, die davon austritt, zuführen kann. In diesem Fall kann der Brennstoffzellenstapel 12 eine kleine Strommenge erzeugen. Derartiger Strom kann dazu verwendet werden, die Brennstoffzellenspannung (z. B. Spannung bei jeder Brennstoffzelle 15) von einer OCV auf eine Spannung zu reduzieren, die sich nicht negativ auf die Brennstoffzellenleistung auswirkt. Dies wir im Folgenden ausführlicher beschrieben.
Es ist bekannt, dass OCV (z. B. beträgt eine OCV für eine mit Wasserstoff arbeitende PEM-Brennstoffzelle (PEM – Polymer-Electrolyte-Membrane, Polymer-Elektrolyt-Membran) ungefähr 1,23 V) unter verschiedenen Brennstoffzellenbetriebsbedingungen zu einer Auflösung von Platin auf einer Kathodenseite der Brennstoffzelle 15 führt. Diese Beschaffenheit wird in Sasaki et al. "Dissolution and Stabilization of Platinum in Oxygen Cathodes", Springer Science + Business Media, LLC. 2009, S. 7–27 (siehe auch (Hrsg.) F.N. Buchi; M. Inaba; und Th. J. Schmidt 2009, Gebundene Ausgabe ISBN: 978-0-387-85534-9 (im Folgenden “Dissolution”)), dargelegt. Es ist jedoch weiterhin bekannt, dass eine Zellenspannung bei 0.85 V oder mehr auch zu einer Verschlechterung der Katalysatorschicht führen kann. Diese Beschaffenheit wird in Noto et al. "Development of Fuel Cell Hybrid Vehicle by Toyota – Durability", SAE International, Januar 2009, dargelegt. Eine derartige Platinauflösung kann aufgrund von Zyklierung von Brennstoffzellen wie z. B. Stop-and-Go-Betrieb und Brennstoffzellenunterversorgung zu einer Verschlechterung einer Katalysatorschicht auf der Kathodenseite führen. Insbesondere kann, wenn sich der Brennstoffzellenstapel im Standby-Modus befindet, diese Beschaffenheit dazu führen, dass die Zellenspannung 0,85 V übersteigt. Infolgedessen kann sich das Platin auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle 15 auflösen, wenn die Zellenspannung 0.85 V übersteigt, wodurch die Leistung des Brennstoffzellenstapels 12 beeinträchtigt wird. Beispielweise kann das Platin bei einer Zellenspannung von mehr als 0.85 V einen Auflösungsprozess mit Wasser erfahren, wie durch Folgendes dargestellt wird: Pt + H₂O -> (Pt-OH) + H⁺ + e^– ☐(0,85V < E < 1,10V).
Zur Abschwächung der Auflösung des Platins an der Kathode des Brennstoffzellenstapels 12 muss die Zellenspannung reduziert werden, während sich der Brennstoffzellenstapel 12 im Standby-Modus befindet. Beispielsweise wird, wie oben beschrieben, wenn das Ventil 22 im Standby-Modus geschlossen ist, eine gewissen Luftmenge davon austreten, wodurch es einer kleinen Menge an Luft ermöglicht wird, zum Brennstoffzellenstapel 12 zu strömen, was dazu führt, dass der Brennstoffzellenstapel 12 eine kleine Menge an Strom erzeugt. Diese kleine Menge an Strom führt dazu, dass die Zellenspannung an jeder Brennstoffzelle 15 unter 0.85 V fällt. Es ist jedoch zu verstehen, dass die Steuervorrichtung 20 dafür sorgt, dass dem Brennstoffzellenstapel 12 eine geeignete Menge an Wasserstoff zusammen mit der Luft zugeführt wird, so dass eine derartige kleine Menge an Strom erzeugt wird.
Wie oben dargestellt, wird im Standby-Modus dadurch, dass (i) der Verdichter 18 mit der Mindestdrehzahl betrieben wird und das Ventil 22 dahingehend gesteuert wird, sich zu schließen, zusätzlich zu einer Minderung der Anlaufzeit des Verdichters 18 eine Kraftstoffersparnis bereitgestellt, und dadurch, dass (ii) das Ventil 22 geschlossen wird und durch den darauf folgenden Austritt von Luftströmung zum Brennstoffzellenstapel 12 zur Erzeugung einer kleinen Menge an Strom die Zellenspannung reduziert, wodurch dann die Auflösung des Platins an der Kathode des Brennstoffzellenstapels 12 abgeschwächt wird.
2 stellt ein Verfahren 50 zum Versetzen des Brennstoffzellenstapels 12 in den Standby-Modus gemäß einer Ausführungsform dar.
Bei Operation 52 empfängt die Steuervorrichtung 20 einen Strommesswert vom Stromsensor 21 und bestimmt auf der Basis der gemessenen Stromwerte die Menge an Energie, die von den Lasten 13 angefordert wird. Wenn die von den Lasten 13 angeforderte Energiemenge nicht null beträgt, geht das Verfahren 50 zu Operation 54 über. Wenn sie null beträgt, dann geht das Verfahren 50 zu Operation 56 über. Bei Operation 54 steuert die Steuervorrichtung 20 das nicht gezeigte Wasserstoffventil und das Ventil 22, das dem Brennstoffzellenstapel 12 zur Erzeugung des elektrischen Stroms, um der von den Lasten 13 benötigten angeforderten Energiemenge zu entsprechen, Wasserstoff bzw. Luft zuführt.
Operationen 56 und 58 entsprechen im Allgemeinen dem Versetzen des Brennstoffzellenstapels 12 in den Standby-Modus und können simultan ausgeführt werden.
Bei Operation 56 steuert die Steuervorrichtung 20 den Verdichter 18 (z. B. Verdichter mit Luftfolienlagern) auf einen Betrieb mit einer Mindestdrehzahl. Wie oben erwähnt, können durch das Steuern des Verdichters 18 auf einen Betrieb mit einer Mindestdrehzahl die Zeit, die die Welle zum Abheben von der oberen Fläche der oberen Folie benötigt, beseitigt und die Anlaufzeit des Verdichters 18 im Wesentlichen reduziert werden.
Bei Operation 58 steuert die Steuervorrichtung 20 das Ventil 22 dahingehend, sich zu schließen. In diesem Fall kann es das Ventil 22 einer kleinen Menge an Luft ermöglichen, von dort zum Brennstoffzellenstapel 12 zu strömen. Als Reaktion auf den Austritt von Luft (und Wasserstoff) erzeugt der Brennstoffzellenstapel 12 eine kleine Menge an Strom. Diese kleine Menge an Strom bringt die Zellenspannung herunter, von der OCV weg und somit von der hohen Zellenspannung von 0.85 V weg. Dadurch wird die Auflösung von Platin an der Kathodenseite der Brennstoffzellen 15 abgeschwächt.
Es versteht sich, dass (i) Kraftstoffersparnisse erzielt werden können, indem die verschiedenen Aspekte der Einrichtung 10 (oder des Systems) im Standby-Modus im Wesentlichen heruntergefahren werden, (ii) beim Verdichter 18 im Standby-Modus keine Verzögerung beim Abheben wahrgenommen wird, da der Verdichter 18 mit einer Mindestdrehzahl betrieben wird, und (iii) eine dadurch, dass der Brennstoffzellenstapel 12 am Ventil 22 die ausgetretene Luft erhält, erzeugte kleine Stromentnahme durch die Lasten 13 einen Zellenspannungsabfall unter vorbestimmte Höhen zur Erhaltung des Platins an der Kathodenseite der Brennstoffzelle 15.
3 ist eine Aufzeichnung 70, die die Eingangs- und Ausgangsströmung des Luftstroms für den Verdichter 18 gemäß einer Ausführungsform darstellt. Die Aufzeichnung 70 stellt einen ersten Bereich 72 und einen zweiten Bereich 74 dar. Der erste Bereich 72 zeigt ein Beispiel des Massendurchsatzes des Luftstroms an einem Ausgang des Verdichters 18, wenn der Brennstoffzellenstapel 12 in einem Normalmodus (z. B. nicht in einem Standby-Modus) betrieben wird, an. Es versteht sich, dass der Massendurchsatz des Luftstroms am Verdichter 18 im Normalmodus vom Gezeigten abweichen kann und dass der erste Bereich 72 als ein Beispiel gezeigt wird.
Der zweite Bereich 74 zeigt ein Beispiel des Massendurchsatzes des Luftstroms am Ausgang des Verdichters 18, wenn sich der Brennstoffzellenstapel 12 im Standby-Modus befindet. Wie gezeigt, wird vom Auslass des Verdichters 18 eine kleine Menge an Luft zugeführt. Solch eine kleine Menge an Luft am Ausgang des Verdichters 18 kann aufgrund des Austretens von Luft aus dem Ventil 22, obwohl das Ventil 22 geschlossen ist, verursacht werden. Der Brennstoffzellenstapel 12 verwendet diese ausgetretene Luft zum Bereitstellen von Strom, der dann die OCV unter die vorbestimmte Höhe reduziert, um eine Auflösung des Platins auf der Kathodenseite der Brennstoffzellen 15 abzuschwächen.
Obgleich oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Stattdessen dienen die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke eher der Beschreibung als der Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können die Merkmale der verschiedenen Implementierungsausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2011/0087389 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Sasaki et al. “Dissolution and Stabilization of Platinum in Oxygen Cathodes”, Springer Science + Business Media, LLC. 2009, S. 7–27 [0021]
F.N. Buchi; M. Inaba; und Th. J. Schmidt 2009, Gebundene Ausgabe ISBN: 978-0-387-85534-9 [0021]
Noto et al. “Development of Fuel Cell Hybrid Vehicle by Toyota – Durability”, SAE International, Januar 2009 [0021]

Claims

Einrichtung zum Versetzen eines Brennstoffzellenstapels in einen Standby-Modus, wobei die Einrichtung Folgendes umfasst: einen Verdichter, der zur Bereitstellung eines Kathodenstroms mit einem Lufteinlasssystem wirkgekoppelt ist; einen Brennstoffzellenstapel zum Empfangen des Kathodenstroms, um eine Last mit elektrischer Energie zu versorgen; ein Kathodenventil, das zum Steuern einer Strömung des Kathodenstroms zum Brennstoffzellenstapel mit einem Auslass des Brennstoffzellenstapels wirkgekoppelt ist; und eine Steuervorrichtung, die dazu konfiguriert ist: eine angeforderte Energiemenge für die Last zu empfangen; die angeforderte Energiemenge mit einer vorbestimmten Menge zu vergleichen; und den Verdichter auf einen Betrieb mit einer Mindestdrehzahl zu steuern und das Kathodenventil dahingehend zu steuern, dass es sich als Reaktion darauf, dass bestimmt wird, dass die angeforderte Energiemenge der vorbestimmten Menge ähnlich ist, schließt.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel im Standby-Modus betrieben wird, wenn die Steuervorrichtung bestimmt, dass die angeforderte Energiemenge der vorbestimmten Menge ähnlich ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, wobei der Brennstoffzellenstapel mehrere Brennstoffzellen enthält, die über einer vorbestimmten Spannungshöhe arbeiten können, wenn sich der Brennstoffzellenstapel im Standby-Modus befindet.
Einrichtung nach Anspruch 3, wobei die vorbestimmte Spannungshöhe ähnlich 0.85 V ist.
Einrichtung nach Anspruch 3, wobei das Kathodenventil dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass es dahingehend gesteuert wird, sich zu schließen, einen Kathodenleckstrom zu erzeugen.
Einrichtung nach Anspruch 5, wobei es der Kathodenleckstrom dem Brennstoffzellenstapel ermöglicht, einen elektrischen Strom zum Reduzieren einer Spannung an jeder der mehreren Brennstoffzellen auf einen Wert, der unter der vorbestimmten Spannungshöhe liegt, zu erzeugen.
Einrichtung nach Anspruch 5, wobei es der Kathodenleckstrom dem Brennstoffzellenstapel ermöglicht, den elektrischen Strom zum Reduzieren der Spannung unter die vorbestimmte Spannungshöhe zu erzeugen, um ein Auflösen des Platins in jeder der mehreren Brennstoffzellen zu verhindern.
Einrichtung zum Versetzen eines Brennstoffzellenstapels in einen Standby-Modus, wobei die Einrichtung Folgendes umfasst: einen Verdichter zum Beaufschlagen von einem Kathodenstrom zuzuführender Umgebungsluft mit Druck; einen Brennstoffzellenstapel zum Empfangen des Kathodenstroms, um eine Last mit elektrischer Energie zu versorgen; ein Kathodenventil, das zum Steuern einer Strömung des Kathodenstroms zum Brennstoffzellenstapel mit einem Auslass des Brennstoffzellenstapels wirkgekoppelt ist; und eine Steuervorrichtung, die dazu konfiguriert ist: eine angeforderte Energiemenge für die Last zu empfangen; die angeforderte Energiemenge mit einer vorbestimmten Menge zu vergleichen; und den Verdichter auf einen Betrieb mit einer Mindestdrehzahl zu steuern und das Kathodenventil dahingehend zu steuern, dass es sich als Reaktion darauf, dass bestimmt wird, dass die angeforderte Energiemenge der vorbestimmten Menge ähnlich ist, schließt.
Einrichtung nach Anspruch 8, wobei der Brennstoffzellenstapel im Standby-Modus betrieben wird, wenn die Steuervorrichtung bestimmt, dass die angeforderte Energiemenge der vorbestimmten Menge ähnlich ist.
Einrichtung nach Anspruch 9, wobei der Brennstoffzellenstapel mehrere Brennstoffzellen enthält, die über einer vorbestimmten Spannungshöhe arbeiten können, wenn sich der Brennstoffzellenstapel im Standby-Modus befindet.