DE112004001762T5 - Speicherung von Brennstoffzellenenergie während des Anfahrens und Abschaltens - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (150), welche geeignet ist, Energie zu speichern, welche von dem damit verbundenen Brennstoffzellenstapel (151) während des Übergangs von nicht in Betrieb befindlich zu in Betrieb befindlich und umgekehrt entnommen wird, aufweisend:
eine Steuerung (185), welche mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist und auf Signale (193, 194) reagiert, welche die Steuerung empfängt, um zu bewirken, dass der Brennstoffzellenstapel anfährt oder dass der Brennstoffzellenstapel abschaltet;
gekennzeichnet durch:
ein Energiespeichersystem (201), welches mit der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage assoziiert ist, wobei das Energiespeichersystem empfänglich für elektrische Leistung ist, welche daran geliefert wird (208), um die entsprechende Energie zu speichern; und
eine Speichersteuerungseinrichtung (200), welche durch die Steuerung während eines Übergangs gewählt von (a) Anfahren der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage oder (b) Abschalten der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage betrieben werden kann, um in Form von elektrischer Leistung (155) durch den Brennstoffzellenstapel erzeugte Energie zu entnehmen, wobei die elektrische Leistung an die Energiespeichervorrichtung geliefert wird, wodurch die maximale durchschnittliche Spannung...

Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung bezieht sich auf Speichern von elektrischer Energie aus einem Brennstoffzellenstapel während des Anfahrens und/oder Abschaltens als Alternative zum Abführen dieser Energie an eine Hilfslast oder andere spannungsbegrenzende Vorrichtungen.
  • Stand der Technik
  • Es ist bekannt, dass Korrosion von amorphen Kohlenstoffkatalysatorträgern und Metallkatalysatoren, welche während Anfahren und Abschalten von Polymerelektrolytmembran (PEM)-Brennstoffzellen stattfindet, zu einem permanenten Verfall der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit führt. Es ist ebenfalls bekannt, dass die Korrosion aufgrund einer Stromumkehrsituation stattfindet, bei welcher das Kathodenpotential deutlich über 1 V höher als das Potenzial einer Standardwasserstoffelektrode sein kann. Man ist der Ansicht, dass dies verursacht wird durch die Anwesenheit von sowohl Wasserstoff als auch Luft an unterschiedlichen Stellen innerhalb des Anodenströmungsfeldes. Während einer Abschaltperiode wird, es sei denn, dass eine Inertgasspülung verwendet wird, Luft langsam gleichmäßig sowohl das Anoden- als auch das Kathodenströmungsfeld der Brennstoffzelle füllen. Während des Anfahrens wird Luft in das Anodenströmungsfeld geleitet, was dazu führt, dass im Einlass des Anodenströmungsfeldes primär Wasserstoff ist, während am Auslass des Anodenströmungsfeldes primär Luft ist. Eine elektrochemische Reaktion ereignet sich zwischen der brennstoffreichen Zone im Anodenströmungsfeld und der sauerstoffreichen Zone im Anodenströmungsfeld, was bewirkt, dass sich das Potenzial der Anode im sauerstoffreichen Bereich erhöht auf das Luftpotenzial bei offener Schaltung. Dies wiederum erhöht das Potenzial der Kathode gegenüber dem luftreichen Bereich der Anode auf ein Potenzial von 1,4 bis 1,8 V gegenüber einer Standardwasserstoffelektrode. Dieses Potenzial führt zur Korrosion des Kohlenstoff-basierten Katalysatorträgers und führt zur Verringerung der Zellenleistung.
  • In der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit Serien-Nr. 09/742 481, angemeldet am 20. Dezember 2000, wird gezeigt, dass während frischer wasserstoffhaltiger Brennstoff durch das Anodenströmungsfeld beim Anfahren strömt und die Luft darin verdrängt, die Korrosion des Platinkatalysators und Katalysatorträgers stattfindet, während sich die Wasserstoff/Luft-Grenzfläche durch das Anodenströmungsfeld bewegt. Das Ausmaß der Korrosion wird abgemildert durch rasches Spülen der Luft mit Wasserstoff während des Anfahrens der Brennstoffzelle. In ähnlicher Weise ist bekannt, dass bei Durchleiten von Spülungsluft durch die Anode beim Abschalten eine Wasserstoff/Sauerstoff-Interaktion stattfindet, welche ein potenzielles Sicherheitsproblem darstellt und unerwünscht hohe Spannungsausschläge in den Zellen bewirken kann, die in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit Serien-Nr. 09/742 497, angemeldet am 20. Dezember 2000, beschrieben.
  • Bei Automobilanwendungen, welche 50.000 bis 100.000 Anfahr/Abschalt-Zyklen durchlaufen können, führt dies zu einem katastrophalen Leistungsverlust. Bisher umfassten Lösungen für dieses Problem das Stabilisieren des Brennstoffzellenstapels durch Spülen der Anodenströmungsfelder mit einem Inertgas, z.B. Stickstoff, und Aufrechterhalten einer Hilfslast über dem Brennstoffzellenstapel während des Abschalt- und Startprozesses.
  • Bei Automobilanwendungen ist die Verfügbarkeit eines Inertgases und der Vorrichtung, es zum Spülen zu verwenden, prohibitiv komplex und teuer. Die Verwendung einer Hilfslast erfordert Ableiten von dadurch erzeugter Wärme, welche typischerweise in einem Reservoir eines Wasserzirkulationssystems oder Kühlmittelsystems oder mit Luftkühlung stattfinden kann.
  • Es wird nun auf 1 Bezug genommen. Ein Fahrzeug 150 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 151, welcher eine Mehrzahl von benachbarten Brennstoffzellen aufweist, wobei in 1 nur eine Brennstoffzelle gezeigt ist. Die elektrische Leistung an den positiven und negativen Anschlüssen des Brennstoff zellenstapels wird verbunden durch ein paar Leitungen 155, 156 durch einen Schalter 158 mit einem Fahrzeugantriebsystem 159. Der Output ist auch durch einen Schalter 160 mit einer Hilfslast 161 in einem Reservoir 164 eines Wasserzirkulationssystems verbunden, wobei das Reservoir eine Entlüftung 165 hat. Das Wasserzirkulationssystems kann ein Anpassungsventil 166, Wasserpassagen z.B. in den Wassertransportplatten 84, einen Radiator und Gebläse 168, 169, der selektiv zum Kühlen des im System zirkulierenden Wassers betreibbar ist, und eine Wasserpumpe 170 aufweisen. Umgebungsluft an einem Einlass 173 wird durch eine Pumpe, z.B. ein Gebläse 174, zu dem Oxidationsmittelreaktantengas-Strömungsfeld der Kathode 19 bereitgestellt und dann durch ein Druck-regulierendes Ventil 175 zum Auslass 176. Wasserstoff wird von einer Quelle 179 durch ein Strömungs-regulierendes Ventil 180 zu den Brennstoffreaktantengas-Strömungsfeldern der Anode 17 und dann durch ein Druck-regulierendes Ventil 181 zum Auslass 182 geleitet. Ein Brennstoffwiederverwertungskreislauf umfasst eine Pumpe 183.
  • Eine Steuerung 185 reagiert auf den durch einen Stromdetektor 186 bestimmten Laststrom wie auch auf die Spannung an den Leitungen 155, 156, sie kann auch die Temperatur des Stapels über eine Leitung 187 erhalten. Die Steuerung wiederum kann das Ventil 180 über eine Leitung 190 wie auch die anderen Venti le, die Schalter 158, 180 und die Pumpen 174, 170 steuern, wie in 1 gezeigt.
  • Die Steuerung 185 reagiert auf die Start- und Geschwindigkeitssteuerungssignale von dem Fahrzeugantriebssystem 159 über die Leitungen 193 und 194, welche signalisieren, wann der Brennstoffzellenbetrieb beginnen soll, und welche Menge an Leistung durch das Fahrzeugantriebssystem erforderlich ist. Wenn ein Anfahrsignal von dem Fahrzeugantriebssystem 159 über die Leitung 193 zur Steuerung 185 gesendet wird, bewirken Signale der Steuerung, dass die Ventile 180, 181 und die Pumpe 183 entsprechend gesteuert werden, um Brennstoffreaktantengas an die Strömungsfelder der Anode 17 zu liefern, und das Ventil 175 und die Pumpe 174 werden entsprechend gesteuert, um Umgebungsluft an die Strömungsfelder der Kathode 19 zu liefern.
  • Wenn Brennstoff und Luft in ausreichender Menge gleichmäßig an die Zellen geliefert wird, wird eine Spannung bei offenem Schaltkreis an den Leitungen 165, 156 durch die Steuerung 185 gemessen. Zu diesem Zeitpunkt kann die Steue rung den Schalter 160 schließen, um den Brennstoffzellenstapel 151 mit der Hilfslast 161 in dem Reservoir 164 zu verbinden und kann auch den Schalter 158 schließen, um den Brennstoffzellenstapel 151 mit dem Fahrzeugantriebssystem 159 gleichzeitig oder zu einem späteren Zeitpunkt zu verbinden.
  • Wenn ein Abschaltsignal von dem Fahrzeugantriebssystem 159 empfangen wird, wird der Schalter 160 geschlossen, um die Hilfslast 161 zu verbinden, während der Schalter 158 geöffnet ist, um das Fahrzeug von der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage zu trennen.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Zwecke der Erfindung umfassen: Eliminieren des Erfordernisses für eine Hilfslast oder andere spannungsbegrenzende Widerstandsvorrichtungen zur Kontrolle von Korrosion und Leistungsverlust beim Anfahren und Abschalten von Brennstoffzellenstapeln; Konservieren von Energie in einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage; Steuern von Brennstoffzellenreaktion während des Anfahrens und Abschaltens auf eine Weise, welche den dann vorhandenen Bedingungen nahezu entspricht; und allgemein Verfügbar-Machen von verschwendeter Energie zur Verwendung in einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung während des Anfahrens oder Abschaltens eines Brennstoffzellenstapels wird die durch den Verbrauch der Reaktanten erzeugte überflüssige Energie in Form elektrischer Energie gewonnen und in einer Energiespeichervorrichtung gespeichert, welche mit der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage verknüpft ist. In einer Boost-Anordnung, welche nützlich ist, wenn die Spannung des Brennstoffzellenstapels geringer als die Spannung ist, bei welcher das Speichern von Energie in einer Energiespeichervorrichtung erwünscht ist, bewirkt ein elektronischer Schalter, dass sich Strom in einem Induktor aufbaut, und wenn der Schalter aus gesteuert wird, fließt der Strom weiterhin durch eine in eine Richtung leitende Vorrichtung in ein Energiespeichersystem. In einer Buck-Anordnung, welche nützlich ist, wenn die Spannung des Stapels größer ist als die Spannung, bei welcher Energie in dem Energiespeichersystem gespeichert wird, wird ein elektrischer Ausgang des Stapels verbunden mit einem elektronischen Schalter und ein Induktor mit einer Seite der Energiespei chervorrichtung verbunden, ein zweiter elektrischer Ausgang des Brennstoffzellenstapels wird mit der anderen Seite des Energiespeichersystems verbunden; eine in eine Richtung leitende Vorrichtung erstreckt sich von dem zweiten Ausgang zu dem Verbindungspunkt des elektronischen Schalters und des Induktors; wenn Anfahren oder Abschalten stattfinden soll, wird der elektronische Schalter zunächst an gesteuert, so dass Strom direkt durch den Induktor in das Energiespeichersystem strömt; dann wird der elektronische Schalter gesperrt, und Strom fließt weiter durch die in eine Richtung leitende Vorrichtung und den Induktor in das Energiespeichersystem.
  • Während des Anfahrens wird dieser Prozess für eine bestimmte Zeitdauer wiederholt oder bis der Gleichstrom sich an einem bestimmten Niveau stabilisiert oder bis eine spezifische Energiemenge übertragen ist. Während des Abschaltens wird dieser Prozess wiederholt, bis die Spannung unterhalb ein bestimmtes Niveau fällt (die Energie in der Brennstoffzelle wird abgeleitet).
  • Weiterhin ist gemäß der Erfindung in einem durch eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage angetriebenen elektrischen Fahrzeug das Energiespeichersystem eine Batterie, welche für regeneratives Bremsen durch das elektrische Fahrzeug verwendet wird. Das Energiespeichersystem wird allgemein nur auf bis zu 80% seiner Kapazität aufgeladen, um regeneratives Bremsen zu ermöglichen und um Speichern der Energie des Brennstoffzellenstapels infolge Anfahren oder Abschalten zu ermöglichen.
  • Andere als die oben beschriebenen Konfigurationen, welche im Folgenden detaillierter beschrieben werden, können verwendet werden, um die Erfindung zu verwirklichen. Solche Konfigurationen können die Verwendung von Isolationstransformatoren und verschiedenen Strom-Elektroniktopologien umfassen, z.B. Buck-Boost, Push-Pull, Forward und Flyback. Verschiedene Schaltvorrichtungen können auch verwendet werden, um die Erfindung zu verwirklichen.
  • Die Erfindung vermeidet das Erfordernis, Wärme abzuleiten, das Erfordernis für Hilfslasten oder andere spannungsbegrenzende Vorrichtungen und kann problemlos angepasst werden, um aktuellen Betriebsbedingungen zu entsprechen, welche beim Anfahren anders als beim Abfahren sind, und um anderen Betriebsparametern zu entsprechen.
  • Andere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser ersichtlich anhand der folgenden detaillierten Beschreibung ihrer exemplarischen Ausführungsbeispiele, wie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, welche aus dem Stand der Technik bekannt ist und eine Hilfslast zum Anfahren und Abschalten verwendet.
  • 2 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, welche die Energie eines Brennstoffzeilenstapels in einem Energiespeichersystem während des Anfahrens und Abschaltens gemäß der vorliegenden Erfindung speichert.
  • 3 und 4 sind schematische Diagramme einer Speichersteuerung mit Boost-Anordnung und einer Speichersteuerung mit Buck-Konfiguration gemäß der Erfindung.
  • 5 und 6 sind Kurven der Leistung gegen die Zeit.
  • Art(en) der Ausführung der Erfindung
  • Es wird auf 2 Bezug genommen. Eine Hilfslast (161, 1) wird nicht verwendet. Stattdessen verwendet verwendet eine Speichersteuerung 200 die in den Brennstoffzellenstapel während des Anfahrens oder Abschaltens gespeicherte Energie und bringt sie zu einem Energiespeichersystem 201, welches in der vorliegenden Ausführungsform die Batterie eines elektrischen Fahrzeugs ist, welches durch das Fahrzeugantriebssystem 159 angetrieben wird. In anderen Ausführungsformen kann das Energiespeichersystem 201 eine andere Batterie, ein Kondensator oder eine andere elektrische Speichereinrichtung sein.
  • Die Speichersteuerung 200 kann die in 3 gezeigte Form annehmen, welche eine Boost-Anordnung ist, die nützlich ist, wenn die Spannungsabgabe des Stapels geringer als die Spannung ist, bei welcher Energie in dem Energiespeichersystem gespeichert werden soll. In 3 ist ein Induktor 205 in Reihe mit einem elektronischen Schalter 206 verbunden, welcher ein dipolarer Transistor mit isoliertem Gatter, wie gezeigt, oder irgendein anderer geeigneter elektronischer Schalter zwischen den elektrischen Output-Terminals 155, 156 des Brennstoffzellenstapels 151 sein kann.
  • Die Ausgabe der Speichersteuerung an eine Leitung 208 wird von der Verbindungsstelle des Induktors und des Schalters durch eine in eine Richtung leitende Vorrichtung, z.B. eine Diode 209, entnommen. Um Energie von dem Zellenstapel 151 zu transferieren, wenn dessen Ausgabespannung geringer ist als die Spannung, bei welcher Energie in der Energiespeichervorrichtung gespeichert werden soll, wird der Schalter 206 zunächst durch ein Signal an einer Leitung 212 von der Steuerung 185 an gesteuert (2), so dass sich in dem Induktor 205 ein Strom aufbaut. Nach einer gewissen Zeit wird der Schalter 206 aus gesteuert, und der Strom in dem Induktor fließt weiterhin durch die Diode 209 und die Outputleitung 208 in das Energiespeichersystem 201 (2), welches eine Batterie 213 sein kann. Der Strom durch die Outputleitung 208 (und den anderen Anschluss 155 des Brennstoffzellenstapels) wird in dem Energiespeichersystem 201 gespeichert. Wenn Energie den Brennstoffzellenstapel in Form von Strom verlässt, nimmt die Spannung in dem Zellenstapel ab. Dieser Prozess wird fortgeführt, bis die erwünschte Energie dem Brennstoffzellenstapel entnommen wurde.
  • Als Beispiel des Energieverhältnisses stellt 5 dar, dass die von dem Brennstoffzellenstapel zu transferierende Energie berechnet werden kann durch Auftragen der Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels, wobei die übertragene Energie durch die Fläche der Kurve repräsentiert wird. Die Menge an Energie wird repräsentiert durch die integrierte Leistung gegen die Zeit, welche durch den Brennstoffzellenstapel während eines Anfahr- oder Abschaltübergangs erzeugt wird. In diesem Fall entspricht die Energie E 15 Kilojoule, und die Leistung wird in 3 s abgeführt.
  • Gemäß der Erfindung wird die Energie nicht gleichförmig entnommen, wie in 5 gesehen werden kann. Stattdessen erreicht die Leistungsübertragung leicht ein Maximum und nimmt dann in Bezug auf die Zeit ab. In den in Bezug auf 3 und 4 beschriebenen Anordnungen wird die Energie schrittweise übertragen, da der Schalter 206 an und aus gesteuert wird, wie in 6 dargestellt.
  • In 4 ist der Schalter 206 in Reihe mit dem Induktor 205 zwischen einem elektrischen Anschluss 156 des Brennstoffzellenstapels und des Energiespeichersystems (201, 2). Die Diode 209 ist verbunden mit dem anderen elektrischen Anschluss 155 des Brennstoffzellenstapels mit der Verbindungsstelle zwischen dem Induktor 205 und dem Schalter 206. In der Buck-Konfiguration von 4, welche verwendet wird, wenn die Spannung des Brennstoffzellenstapels höher als die Spannung ist, bei welcher Energie in dem Energiespeichersystem gespeichert werden soll, wird der Schalter 206 durch ein Signal an der Leitung 212 angeschaltet, was bewirkt, dass Strom von dem Anschluss 156 durch den Induktor 205 und in das Energiespeichersystem über die Ausgabeleitung 208 fließt. Dann wird der Schalter 206 aus gesteuert, zu welchem Zeitpunkt Strom durch die Diode 109 und den Induktor 205 über die Ausgabeleitung 208 zu dem Energiespeichersystem 201 fließt, welches in diesem Fall als Kondensator 215 dargestellt ist. Der Stromfluss durch den Schalter 206 und den Induktor 205 bewirkt, dass die Spannung des Brennstoffzellenstapels abnimmt. Der Schaltvorgang wird wiederholt, bis die erwünschte Energie aus dem Brennstoffzellenstapel entnommen wurde.
  • In den Anordnungen von 3 und 4 wird die Steuerung des Schaltens des elektronischen Schalters 206 durch das Signal an der Leitung 212 die Verwendung der Erfindung sowohl für Anschalten als auch für Abschalten ermöglichen, wobei sich die Energieanforderungen zwischen Anschalten und Abschalten unterscheiden können. Die Dimensionierung der Komponenten 205, 206, 209 wird bestimmt, um den maximal notwendigen Strom für Anfahren/Abschalten zu leiten.
  • Andere Anordnungen, insbesondere Schaltanordnungen, können verwendet werden einschließlich der Verwendung eines Isolationstransformators, welcher die Spannung schrittweise hoch oder runter bringen könnte, in Abhängigkeit des Systems, in welchem die Erfindung verwendet wird, wobei der transformierte Strom dann zum Speichern in einem Kondensator oder einer Batterie oder einem anderen geeigneten Speichersystem gleichgerichtet wird. In dieser Ausführungsform ist das Speichersystem elektrisch, aber andere Speichersysteme können verwendet werden, einschließlich mechanischer Systeme, z.B. Schwungräder.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Während des Anfahrens oder Abschaltens einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage wird die durch Verbrauch der Reaktanten erzeugte elektrische Energie entnommen durch eine Speichersteuerung (200), welche auf eine Steuerung (185) reagiert, in Form von an ein Energiespeichersystem (201) gelieferten Strom (eine Batterie). In einer Boost-Ausführung verbinden ein Induktor (205) und eine Diode (209) einen Anschluss (145) des Stapels (51) mit der Batterie. Eine elektronische Schaltung verbindet die Verbindungsstelle des Induktors und der Diode mit sowohl dem anderen Anschluss (155) des Stapels und der Batterie. Die Schaltung wird durch ein Signal (212) von einer Steuerung (185) abwechselnd aktiviert und deaktiviert, bis ausreichende Energie von dem Stapel zur Batterie übertragen wird. In einer Buck-Situation verbinden der Schalter und der Induktor (205) einen Anschluss (156) des Stapels mit der Batterie. Eine Diode verbindet die Verbindungsstelle des Schalters mit dem Induktor mit dem anderen Anschluss (155) des Brennstoffzellenstapels und der Batterie.

Claims (6)

  1. Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (150), welche geeignet ist, Energie zu speichern, welche von dem damit verbundenen Brennstoffzellenstapel (151) während des Übergangs von nicht in Betrieb befindlich zu in Betrieb befindlich und umgekehrt entnommen wird, aufweisend: eine Steuerung (185), welche mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist und auf Signale (193, 194) reagiert, welche die Steuerung empfängt, um zu bewirken, dass der Brennstoffzellenstapel anfährt oder dass der Brennstoffzellenstapel abschaltet; gekennzeichnet durch: ein Energiespeichersystem (201), welches mit der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage assoziiert ist, wobei das Energiespeichersystem empfänglich für elektrische Leistung ist, welche daran geliefert wird (208), um die entsprechende Energie zu speichern; und eine Speichersteuerungseinrichtung (200), welche durch die Steuerung während eines Übergangs gewählt von (a) Anfahren der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage oder (b) Abschalten der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage betrieben werden kann, um in Form von elektrischer Leistung (155) durch den Brennstoffzellenstapel erzeugte Energie zu entnehmen, wobei die elektrische Leistung an die Energiespeichervorrichtung geliefert wird, wodurch die maximale durchschnittliche Spannung in den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels während des Übergangs begrenzt wird.
  2. Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 1, wobei: die Speichersteuereinrichtung (200) einen Induktor (205) in Serie mit einer in eine Richtung leitenden Vorrichtung (209) aufweist, welche (3) sich an einen elektrischen Anschluss des Brennstoffzellenstapels (156) zu einem Eingang (208) des Energiespeichersystems erstreckt und einen elektronischen Schalter (206) aufweist, welcher von der Verbindungsstelle des Induktors mit der in eine Richtung leitenden Vorrichtung verbunden ist mit sowohl einem zweiten elektrischen Ausgabeanschluss des Brennstoffzellenstapels (155) und einem zweiten Anschluss des Energiespeichersystems (155); undurchlässig wobei der elektronische Schalter durch ein Signal (212) von der Steuerung (185) an und aus gesteuert wird.
  3. Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 1, wobei: die Speichersteuerungsvorrichtung (200) einen Induktor (206) in Reihe mit einer in eine Richtung leitenden Vorrichtung (209) aufweist, welche (4) sich von einem elektrischen Anschluss (155) des Brennstoffzellenstapels (151) zu einem Eingang (208) des Energiespeichersystems (201) erstreckt und einen elektronischen Schalter (206), welcher von der Verbindungsstelle des Induktors mit der in eine Richtung leitenden Vorrichtung mit einem zweiten elektrischen Ausgabeanschluss (156) des Brennstoffzellenstapels verbunden ist; und wobei der elektronische Schalter zyklisch an und aus gesteuert wird durch ein Signal (212) von der Steuerung.
  4. Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 1, wobei das Energiespeichersystem (201) eine elektrische Batterie (213) umfasst.
  5. Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 4, wobei die elektrische Batterie auf einem Fahrzeug (159) angeordnet ist, welches durch die Stromerzeugungsanlage betrieben wird.
  6. Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 1, wobei das Energiespeichersystem einen Kondensator aufweist (215).
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Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040217732A1 (en) * 2003-04-29 2004-11-04 Ballard Power Systems Inc. Power converter architecture and method for integrated fuel cell based power supplies
US7205058B2 (en) * 2003-11-13 2007-04-17 General Motors Corporation Residual stack shutdown energy storage and usage for a fuel cell power system
US20060046895A1 (en) * 2004-08-30 2006-03-02 Thacher Russell J Vehicular control system for regenerative braking
KR100645690B1 (ko) * 2005-04-12 2006-11-14 삼성에스디아이 주식회사 연료전지 운전중지 방법 및 이를 이용한 연료전지 장치
US20070087241A1 (en) * 2005-10-18 2007-04-19 General Hydrogen Corporation Fuel cell power pack
US20070087232A1 (en) * 2005-10-18 2007-04-19 Robin Curtis M Capacitor hybrid fuel cell power generator
US20070087239A1 (en) * 2005-10-18 2007-04-19 General Hydrogen Corporation Fuel cell fluid management system
WO2007064317A1 (en) * 2005-11-29 2007-06-07 Utc Power Corporation Fuel cell power plant diverting air in response to low demand
US7855022B2 (en) * 2005-11-30 2010-12-21 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Fuel system with improved fuel cell shutdown
JP4876766B2 (ja) * 2006-08-10 2012-02-15 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
US8445145B2 (en) * 2006-09-22 2013-05-21 GM Global Technology Operations LLC Stack shutdown purge method
JP5525122B2 (ja) * 2007-04-04 2014-06-18 本田技研工業株式会社 燃料電池システムおよびその制御方法
US20100035098A1 (en) * 2008-08-06 2010-02-11 Manikandan Ramani Using chemical shorting to control electrode corrosion during the startup or shutdown of a fuel cell
US8673513B2 (en) * 2008-12-04 2014-03-18 United Technologies Corporation Determining duration of fuel cell shutdown hydrogen stabilization by counting coulombs
WO2010120565A2 (en) * 2009-03-31 2010-10-21 Enerfuel, Inc. Method and apparatus for pem fuel cell freezing protection
JP5751525B2 (ja) * 2011-02-25 2015-07-22 バラード パワー システムズ インコーポレイテッド 燃料電池発電装置の制御方法および燃料電池発電装置を備えた車両
JP6101358B2 (ja) 2012-11-09 2017-03-22 アウディ アクチェンゲゼルシャフトAudi Ag 電力低減移行時における燃料電池電圧の正の変化速度への対応
JP6117373B2 (ja) 2012-12-09 2017-04-19 ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイションUnited Technologies Corporation 電圧制限装置を有するフローバッテリ
KR101976896B1 (ko) 2013-01-11 2019-05-09 아우디 아게 향상된 내구성을 위한 연료 전지 동력 장치의 파워-온 셧다운
KR101637720B1 (ko) 2014-11-07 2016-07-08 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 제어 방법
KR101856300B1 (ko) * 2015-12-09 2018-06-26 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 시동 제어방법
DE102018205985A1 (de) * 2018-04-19 2019-10-24 Audi Ag Elektrisches Energiesystem mit Brennstoffzellen
US11056698B2 (en) 2018-08-02 2021-07-06 Raytheon Technologies Corporation Redox flow battery with electrolyte balancing and compatibility enabling features
US11271226B1 (en) 2020-12-11 2022-03-08 Raytheon Technologies Corporation Redox flow battery with improved efficiency

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6121516A (ja) * 1984-07-09 1986-01-30 Hitachi Ltd 燃料電池発電システム
JPH0833782B2 (ja) * 1986-10-15 1996-03-29 株式会社富士電機総合研究所 燃料電池の電圧制御回路
JPH0689734A (ja) * 1992-09-10 1994-03-29 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池発電装置の電磁弁駆動回路
JP3487952B2 (ja) * 1995-04-14 2004-01-19 株式会社日立製作所 電気自動車の駆動装置及び駆動制御方法
JP3608017B2 (ja) 1996-07-22 2005-01-05 トヨタ自動車株式会社 電源システム
JP4049833B2 (ja) 1996-07-26 2008-02-20 トヨタ自動車株式会社 電源装置および電気自動車
DE19954306B4 (de) 1999-11-11 2004-09-02 Ballard Power Systems Ag Vorrichtung zur elektrischen Energieerzeugnung mit einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug und Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung
JP3843680B2 (ja) * 2000-01-24 2006-11-08 日産自動車株式会社 燃料電池システムの出力制御装置
US6572993B2 (en) 2000-12-20 2003-06-03 Visteon Global Technologies, Inc. Fuel cell systems with controlled anode exhaust
US6580977B2 (en) * 2001-01-16 2003-06-17 Ford Global Technologies, Llc High efficiency fuel cell and battery for a hybrid powertrain
DE10147149A1 (de) * 2001-09-25 2003-04-24 Ballard Power Systems Verfahren zur dynamischen Bereitstellung von elektrischer Leistung für den Fahrantrieb eines Kraftfahrzeugs
US6858335B2 (en) * 2001-11-14 2005-02-22 Relion, Inc. Fuel cell power systems and methods of operating fuel cell power systems
US6590370B1 (en) 2002-10-01 2003-07-08 Mti Microfuel Cells Inc. Switching DC-DC power converter and battery charger for use with direct oxidation fuel cell power source
US20040217732A1 (en) * 2003-04-29 2004-11-04 Ballard Power Systems Inc. Power converter architecture and method for integrated fuel cell based power supplies
US7087329B2 (en) 2003-11-19 2006-08-08 Utc Fuel Cells, Llc Electric storage augmentation of fuel cell system transient response

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