DE10043139A1 - Überwachungsgerät für Brennstoffzellenspannungen - Google Patents

Überwachungsgerät für Brennstoffzellenspannungen

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Überwachungseinheit für Brennstoffzellen. Vorzugsweise sind die Brennstoffzellen in einem Stapelverbund aus PEM-Zellen zu verwenden. Unter Zurhilfenahme von statistischen Auswertefunktionen kann ein mehrstufiges Überwachungsverfahren mit der Überwachungseinheit ausgeführt werden, das Stapelbetriebsparameter, vergleichbare Spannungssignale und Spannungen von Brennstoffzellengruppen miteinander kombiniert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überwachungseinheit für Brennstoffzellen, die hierzu Gruppen von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels zusammenfasst und deren Spannungswerte beurteilt.
Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapel, insbesondere jene mit einer Polymermembran, liefern eine Anzahl von unterschiedlichen Signalen, während die Brennstoffzellen elektrische und thermische Energie erzeugen. Zu den unterschiedlichen Signalen gehören Signale wie die Temperatur der Brennstoffzelle, des Druckes eines Gases zu oder von der Brennstoffzelle und der Massenfluss dieser Gase zu und von der Brennstoffzelle. Die Temperatur kann an zahlreichen Stellen der Brennstoffzelle gemessen werden. Es bietet sich zum Beispiel die Kühlflüssigkeit, die sich in einem Kühlkreislauf befindet, genauso an, wie die Temperatur der Gase zu und von der Brennstoffzelle als Messgrösse verwendet werden können. Die Signale können dazu dienen, den Zustand der Brennstoffzelle zu überwachen, zu analysieren und mit Hilfe der Signale Regelungen für einen Brennstoffzellenstapel aufzubauen. Beispielhaft kann angeführt werden, dass eine sehr niedrige Kühlmitteleingangstemperatur anzeigt, dass der Brennstoffzellenstapel nicht mit der richtigen Betriebstemperatur durch sein Umgebungssystem betrieben wird, in dem sich der Stapel befindet.
Die beiden Messgrössen Spannung und Strom haben vorrangig die Aufgabe, die gewünschte elektrische Energie des Stapels zur Verfügung zu stellen. Sie können aber gleichzeitig auch als Indikatoren für das Betriebsverhalten des Brennstoffzellenstapels dienen. Somit haben die beiden Signale eine duale Bedeutung, sie dienen als Messgrösse für die Energie des Stapels und als Information über den Betriebszustand des Stapels im gleichen Moment.
Eine vergleichbare Technik ist auch ausschliesslich für Zellspannungssignale bekannt. Die Patentanmeldung GB 2 129 237 A beschreibt eine Brennstoffzellensicherheitsschaltung für die Regelung einer Gruppe von Brennstoffzellen. Eine Spannungsmess- und Signalerzeugungseinheit zum Messen der Brennstoffzellenausgangsspannung ist in Serie mit Brennstoffzellen verbunden. Der Sinn der Einheit ist es, eine Überspannungsausweichmöglichkeit dadurch zu bieten, dass ein Strompfad für eine Brennstoffzellenspannung zur Verfügung gestellt wird. Die entsprechende deutsche Anmeldung DE 33 21 421 A1 hebt hervor, dass der Strompfad explizit dafür erzeugt wird, um den Ausgang der Brennstoffzelle zu begrenzen.
Ein anderes Signal, das Informationen über den Brennstoffzellenstapel liefert, ist das Signal aus einer Isolierüberwachung nach US 5 760 488. Das Patent zeigt eine Schaltung als Prinzipschaltung. Das Ziel der Isolationsüberwachung ist es, sicherzustellen, dass die Betriebssicherheit in Bezug auf Hochspannungen und Zündenergien gegeben sei. Um dieses Ziel zu erreichen, wird die Schaltung der Last als IT-Netzwerk ausgeführt.
Ein anderer Parameter, der in der Patentanmeldung EP 0 827 226 A2 gemessen wird, ist die Konzentration des Wasserstoffes in dem Abgas der Brennstoffzelle. Die Wasserstoffkonzentration alleine gilt noch nicht als aussagekräftig. Daher ist es notwendig, die Änderungsgeschwindigkeit der Konzentration im Abgas zu bewerten. Die gemessene Wasserstoffkonzentration wird in einen Kontext mit der Spannung über den gesamten Stapel gestellt. In dem Fall, dass eine grössere Anzahl von Brennstoffzellen einen Stapel bilden, hat der aufgezeigte Lösungsweg die Folge, dass mit sehr hohen Spannungen umzugehen ist. Die Messschaltung muss daher hohe Spannungen aushalten können. Die vorgestellte Methode misst nicht nur die Absolutwerte, sondern sie bewertet und vergleicht die Änderung der Absolutwerte des Wasserstoffs und der Stapelspannung.
DE 43 38 178 A1 gilt als anwendbar, wenn eine Brennstoffzellenmatrix aufgebaut wird. Eine Brennstoffzellenmatrix besteht aus Brennstoffzellen, die sowohl zueinander in Reihe als auch parallel verschaltet sind. Daher kann die Technik nur verwendet werden, wenn wenigstens 4 eigenständige Brennstoffzellenstapel existieren. Die Stapel müssen untereinander abgestimmt sein, damit eine Verstimmung eines Stapels in der Matrix festgestellt werden kann.
Eine Schaltung, die in der Lage ist, mit hohen Spannungen umzugehen, kann in der Patentanmeldung EP 0 982 788 A2 gefunden werden. Der Isolationswiderstand wird dadurch erzeugt, dass ein Photoemitter mit einem Photodetektor in Verbindung steht. Ein Emitter wird mit einer Gruppe von zwei Zellen, wie in der Abbildung dargestellt, verbunden. Die Schaltung ist nicht in der Lage, die tatsächliche Zellspannung zu messen. Ein Summensignal wird erzeugt, das als Gut- oder Schlechtsignal interpretiert wird. Der Fehler einer Zelle führt zu dem gleichen Ergebnis wie der Fehler von allen Zellen.
Ein diffizileres, aber auch schwieriger handhabbares System ist in der Patentanmeldung EP 0 918 363 A1 beschrieben. Das beschriebene Verfahren zum Überwachen einer ausgewählten Gruppe von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels ermittelt die zeitliche Änderung der gemittelten elektrischen Spannung der Brennstoffzellen der ausgewählten Gruppe. Die Spannungen werden zwei Überwachungseinrichtungen zugeführt. Die der ersten Einrichtung aufgeschalteten Abgriffe entsprechen einer ersten Aufteilung der Zellen des Stapels in Gruppen, und genauso gehört zu jeder anderen Einrichtung ebenfalls eine Gruppenaufteilung. Die Verkabelung ist zyklisch alternierend zwischen den Gruppen. Es werden wenigstens zwei Überwachungseinrichtungen benötigt. Ein wesentlicher Bestandteil stellt die Leitungsführung bei dem Verfahren dar. Ein System wird also hier beschrieben, das fehleranfällig während der Produktion und des Zusammenbaus ist.
US 5 170 124 bietet ein einfacheres, anwendbareres System an. Die Einfachheit basiert auf der Tatsache, dass nur eine zentrale Recheneinheit, ein Eingangsmultiplexer, ein Ausgangsmultiplexer, ein Speicher und ein Analog-Digital- Konverter verwendet wird. Der Brennstoffzellenstapel ist wenigstens in zwei Gruppen aufgeteilt. Die Spannung wird über jede Gruppe gemessen. Die gemessene Spannung wird mit einer Mindestspannung verglichen. Ein geeigneter Wert für die Mindestspannung ist ca. 0,5 Volt. Die Annahme, dass nur ein Grenzwert gültig ist, hilft sehr gut in statischen Systemen. Dynamische Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass die Spannung oder der Strom häufig geändert werden. Es kann sogar auftreten, dass der Spannungswert zeitlich gesehen Sprünge zurücklegt. Bei einer dynamischen Anwendung sorgt die Verwendung eines statischen Wertes für eine geringere Anzahl von Brennstoffzellen, die zu einer Gruppe zusammengefaßt werden können.
Systeme, die kritischen Sicherheitsanforderungen genügen müssen, können durch eine Überwachungseinheit überwacht werden, die gem. WO 99/64938 aufgebaut werden. Zwei Regeleinrichtungen sind über einen CAN-Bus verbunden. Jede Regeleinrichtung kontrolliert auch die andere Regeleinrichtung. Falls die Einrichtungen sich invers verhalten, ist ein Diskrepanz zwischen ihnen festgestellt.
Es ist daher wünschenswert, ein Gerät zu entwickeln, dass in der Lage ist, einzelne Zellen zu identifizieren und zu analysieren, die sich außerhalb eines Akzeptanzbereiches befinden. Es besteht somit das Verlangen nach einem Überwachungsgerät, das leicht aufgebaut und zusammengebaut werden kann. Es sollte nur Bauteile und Komponenten, möglichst wenige, eingesetzt werden, die leicht zu beschaffen sind und gängig erhältlich sind. Das Überwachungsgerät selber sollte nicht fehleranfällig sein, die zum Beispiel durch eine komplizierte Verschaltung hervorgerufen wird. Die Methode, mit der das Gerät arbeitet, sollte im automotiven und Transportbereich einsetzbar sein. Die Anforderungen an die Rechenleistung des Gerätes sollte möglichst gering sein. Mit geringer Rechenleistung müssen die Signale verarbeitbar sein. Das Gerät sollte trotzdem in der Lage sein, den Zusammenbruch oder auch nur den Einbruch einer einzelnen Brennstoffzelle im Brennstoffzellenstapel zu bemerken. Es wird gefordert, dass die Alterung und die Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels während seiner Lebenszeit berücksichtigt werden kann. Die Methode, die in dem Gerät integriert ist, soll auch auf einen einzelnen Brennstoffzellenstapel anwendbar sein.
Diese und andere Aufgaben und Anforderungen werden wenigstens teilweise durch ein erfindungsgemässes Gerät nach Anspruch 1 erfüllt. Vorteilhafte Ausgestaltungen können in den Unteransprüchen gefunden werden.
Eine Überwachungseinheit eines Brennstoffzellenstapels stellt häufig eine elektronische Schaltung dar. Ein Brennstoffzellenstapel besteht aus einer Reihe von einzelnen Brennstoffzellen. Die Brennstoffzellen werden häufig in Serie verschaltet, wobei wenigstens zwei Zellen ausreichen, um einen Stapel zu bilden. Die einzelnen Brennstoffzellen erzeugen Spannungen, die als Gruppe genommen, eine Gruppenspannung bilden. Die einzelnen Gruppenspannungen bewegen sich in einem Bereich, der auch als Gruppenspannungsbereich bezeichnet werden kann. Dem normalen Betrieb kann ein Gruppenspannungsbereich zugeordnet werden. Als normaler Betrieb wird der Betrieb angesehen, in dem der gesamte Brennstoffzellenstapel sich so verhält, wie es erwünscht ist. Darüberhinaus stehen noch weitere Parameter, die sogenannten Stapelbetriebsparameter, zur Verfügung, die ebenfalls Auskunft über den Zustand des Stapels geben. Eine geeignete Verbindung zwischen den Stapelbetriebsparametern und den Gruppenspannungsbereichen ist zu wählen. Werden beide Informationen in Abhängigkeit gebracht oder funktionell in eine Beziehung gestellt, dann kann die hieraus resultierende Information dazu genutzt werden, eine korrigierende Maßnahme zu initiieren. Hierzu werden Messwerte aufgenommen, Spannungswerte gebildet und berechnet und in gegenseitige Abhängigkeit gebracht. Als korrigierende Maßnahmen stehen eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Verfügung. Eine korrigierende Maßnahme wäre die Einflussnahme auf andere Systemkomponenten, wie zum Beispiel die Gasversorgungsgeräte. Andere korrigierende Maßnahmen wäre die Bekanntgabe an einen Benutzer oder Betreiber der Brennstoffzelle direkt oder über Kanäle wie den CAN-Bus. Eine Überwachungseinheit für einen Brennstoffzellenstapel, wenigstens eine Brennstoffzellengruppe umfassend, wobei jede Gruppe wenigstens aus zwei Brennstoffzellen in Serie besteht und jede Gruppe eine Spannung innerhalb eines Gruppenspannungsbereiches während normalem Betriebes hat, wobei der Gruppenspannungsbereich in Funktion zu einem Stapelbetriebsparameter steht, und die Überwachungseinheit elektrisch in Verbindung mit dem Stapel zur Messung jeder Zellspannungsgruppe steht, betreibt das folgende Verfahren bzw. wird der Art und Weise nach genutzt, dass ein Signal aufgenommen wird, das einen Stapelbetriebsparameter repräsentiert, ein vergleichbares Spannungssignal basierend auf dem Stapelbetriebsparameter erzeugt wird, ein Vergleich zwischen den Spannungen jeder Brennstoffzellengruppe mit dem vergleichbaren Spannungssignal durchgeführt wird, und eine korrigierende Massnahme initiiert wird, wenn eine Spannung einer Spannungsgruppe abweicht vom dem vergleichbaren Spannungssignal.
Wichtig ist es, dass die Zellspannungsgruppen so groß wie möglich sind, jedoch keine Information über einzelne Zellen verloren gehen. Hierzu ist es notwendig, die Anzahl der Brennstoffzellen in einer Brennstoffzellengruppe berechnen zu können. Die Anzahl der Brennstoffzellen in einer Gruppe, die mit der Überwachungseinheit in elektrischer Verbindung stehen, durch eine Vergleichsrechnung mit Hilfe der Streuung einzelner Spannungen bestimmt wird, und hierdurch die Anzahl der Gruppen pro Stapel ermittelt wird. Mit Hilfe einer Formel kann die Gruppenbildung durch
ausgedrückt werden. Die Formel basiert auf der Mittelwertbildung einzelner Zellspannungsgruppen und der Streuung an den Betriebspunkten des Brennstoffzellenstapels. Die Formelzeichen haben die Bedeutung:
s1 . . . Varianz am Betriebspunkt 1 (kleine Varianz)
s2 . . . Varianz am Betriebspunkt 2 (große Varianz)
n . . . Anzahl der Zellen
V . . . Sicherheitsfaktor
U(I1) . . . Spannung am Operationspunkt 1
U(I2) . . . Spannung am Operationspunkt 2
Ulimit . . . kritische Spannung (untere zulässige Spannung)
Der Ungleichung liegt die Bedingung zu Grunde, dass an der Stelle der kleinsten Streuung auf der Polarisationskennlinie der Gruppenspannungsbereiche jeder Fehlerfall noch zu identifizieren sein muss, während bei der grössten Streuung kein Fehlerfall irrtümlich identifiziert wird. Der Sicherheitsfaktor berücksichtigt allgemeine Toleranzen.
An Stelle der Varianz kann die Streuung berücksichtigt werden. Ebenfalls kann auch an Stelle der Streuung eine normierte Streuung angesetzt werden. Als Normierungsbezugspunkt bietet sich der Leerlaufpunkt der Spannung an. An Stelle der Varianzen wird die normierte Streuung σnormiert gesetzt.
Die Anzahl der Gruppen pro Stapel bestimmt sich hierdurch aus der Anzahl aller Zellen eines Stapels durch die Anzahl der Zellen pro Gruppe geteilt. Die Anzahl der Brennstoffzellen in einer Gruppen, die mit der Überwachungseinheit in elektrischer Verbindung stehen, werden durch eine Vergleichsrechnung mit Hilfe der Streuung einzelner Spannungen bestimmt, und hierdurch die Anzahl der Gruppen pro Stapel ermittelt.
Als Stapelbetriebsparameter bieten sich eine Reihe von Parametern an. Der Stapelbetriebsparameter kann einer Gruppe entnommen werden, die aus Stapelstrom, Stapelkühlflüssigkeitseingangstemperatur, Stapelkühlflüssigkeitsausgangstemperatur, Gasdruck und Massenfluss und Temperatur des Brenngases oder der Luft zu und von dem Stapel besteht. Vorzugsweise zeichnet sich der Stapelstrom als aussagekräftiger Parameter aus.
Gelegentlich kann der Gruppenspannungsbereich noch exakter und präziser bestimmt werden, wenn eine Abhängigkeit zwischen dem Gruppenspannungsbereich und einem weiteren Stapelbetriebsparameter hergeleitet wird. Der Gruppenspannungsbereich ist somit eine Funktion eines weiteren Stapelbetriebsparameters, und die Überwachungseinheit ein weiteres Signal basierend auf einem Stapelbetriebsparameter aufnimmt, und ein vergleichbarer Spannungswert erzeugt wird, welches auf dem Signal, das einen Stapelbetriebsparameter repräsentiert, und dem weiteren Signal, das ebenfalls einen Stapelbetriebsparameter repräsentiert, basiert.
Bei bestimmten Brennstoffzellenstapeltypen hat es sich gezeigt, dass der Gruppenspannungsbereich in Abhängigkeit der Stapelbetriebsparameter einem linearen oder stückweise stetig und linearen Verhältnis folgt. Eine Linearität ist zum Beispiel zwischen dem Stapelbetriebsparameter Stapelstrom und dem Gruppenspannungsbereich zu sehen. Die Überwachungseinheit hat einen Gruppenspannungsbereich, dessen Breite zunehmend mit der Zunahme des Wertes des Signales, z. B. des Stromsignales ist.
Die Absolutwerte der Spannungen sind an sich gesehen nur nachrangig in ihrer Bedeutung. Wesentlich ist die Zuordnung der Spannung in einen Spannungsbereich. Der Stapel sollte in jedem Punkt seines Betriebes eine gewisse Spannung haben. Selbst in hohen Lastpunkten erzeugen normale Zellen eine gewisse Spannung, die oberhalb der kritischen Spannung liegen sollte. Daher kann eine gewisse Offsetspannung von dem Signal subtrahiert werden. Weiterhin sorgen die Messeinrichtungen häufig für einen Offset auf dem Messsignal, das unerwünscht ist. Sowohl die eine Ursache des Offsets als auch die andere Ursache des Offsets kann bei der Signalverarbeitung vernachlässigt werden. Der Offset wäre abzuziehen. Die Überwachungseinheit erzeugt das vergleichbare Spannungssignal der Art und Weise, dass eine Offsetspannung von der niedrigsten Spannung des Gruppenspannungsbereiches abgezogen wird.
Der Gruppenspannungsbereich kann aus mehreren Summanden oder Faktoren zusammengesetzt werden. Zum einen bietet sich eine ideale Polarisationskennlinie mit den Betriebsparameteren Strom und Gruppenzellspannung an. Als weiterer Summand bietet sich die Berücksichtigung einer statistischen Funktion an. Werden als Summanden beide Anteile für die Bildung eines vergleichbaren Spannungssignales herangezogen, dann liegt eine Überwachungseinheit vor, die das vergleichbare Spannungssignal durch eine statistische Funktion ermittelt. Als statistische Funktionen können die klassischen Funktion der Statistik verwendet werden, namentlich die Gaussverteilung, aber auch unscharfe Mengen, wie zum Beispiel ein Fuzzy-Set. Der Anteil der kontinuirlichen Abschnitte im Fuzzy-Set charakterisieren den Typ des Fuzzy-Sets. So gibt es binäre, tertiäre und höhere Fuzzy- Sets, die alle an Stelle der statistischen Funktion verwendet werden können. Mit Hilfe des Fuzzy-Sets kann eine Gewichtung über die Güte des Spannungssignales ermittelt werden.
Die Überwachungseinheit arbeitet mit einer Funktion, die eine statistische Funktion wie ein binärer oder ein tertiärer Fuzzy-Set oder eine Verteilungs- oder Dichtefunktion ist.
Im Laufe des Betriebes eines Brennstoffzellenstapels altert der Stapel. Die Ursachen der Alterung sind vielschichtig. Eine starke Alterung kann aber zu dem Ergebnis führen, dass Fehlerfälle identifiziert werden, die nicht solche sind. So sinkt in dem Fall die Mittelspannung einer Gruppenzellspannung. Daher muss der Algorithmus in der Überwachungseinheit adaptiv sein. Das bedeutet, er muss sich neuen Gegebenheiten anpassen können. Dies geschieht sehr einfach dadurch, dass in die Erzeugung des vergleichbaren Spannungssignales die zuvor aufgenommenen Spannungen von Brennstoffzellengruppen eingeht.
Grosse Brennstoffzellenstapel erzeugen eine sehr hohe Spannung. Elektronik hat die Tendenz mit möglichst kleinen Spannungen auszukommen. Die hohen Spannungssignale müssen auf ein verarbeitbares Niveau transferiert werden. Gleichzeitig sollte die Schaltung möglichst einfach und unempfindlich sein. Das Signal soll in der Messchaltung möglichst lange unverfälscht bleiben. Ein Lösungsweg ist der Erhalt der analogen Messwerte bis zu der Verarbeitungseinheit der Überwachungseinheit. Gleichzeitig muss aber die galvanische Trennung innerhalb der Messschaltung durchgeführt werden. Eine Überwachungseinheit wird mit Operationsverstärkern und Optokopplern so aufgebaut, dass die Messspannung einer Gruppenspannung über eine Kombination aus Optokoppler und Operationsverstärker analog ausgekoppelt und galvanisch getrennt wird.
Die Erfindung kann besser an Hand der beiliegenden Zeichnungen verstanden werden, wobei
Fig. 1 Verteilungsfunktionen und sekundäre Häufigkeiten darstellt,
Fig. 2 eine abstrahierte Fuzzy-Verteilung auf Grund der Verteilungsfunktion verbildlicht,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer ersten Schaltung einer Überwachungseinheit zeigt, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Schaltung des Messaufnahmebereichs einer Überwachungseinheit zeigt.
Die Fig. 1 zeigt eine Sekundärverteilung 101 der diskreten Spannungswerte kontinuierlich über die X-Achse aufgetragen genauso wie eine Summenfunktion 103 und eine Summenfunktion einer Standardverteilung 105. Die gängigste Standardverteilung ist die Gaussverteilung. Es ist zu erkennen, dass die Verteilung eines Stapels bei normalem Betrieb durch eine Standardverteilung anzunähern ist.
Wird die Verteilung abstrahiert dargestellt, so dass sie in einer Rechnereinheit leicht verarbeitbar ist, kann die Verteilung nach Fig. 2 um einen gewählten Betriebspunkt per Fuzzy-Set verwendet werden. Das Kennlinienfeld zu den verschiedenen Betriebspunkten kann durch Kennlinienfeldern erzeugt werden, oder die tatsächlichen Werte können über ein numerisches Gleichungssystem berechnet werden. Der Fuzzy- Set besteht aus einem Bereich 201, in dem Gruppenspannungswerte vollständig der Verteilung zugehörig gelten. Am Rande des Sets befinden sich zwei Bereiche 203, 205, die anzeigen, dass die Gruppenspannungswerte nicht mehr vollständig im akzeptabelen Bereich liegen. Die Position des Überganges auf der Kennlinie kann mit den σ-Werten der Gaussverteilung identisch sein. Die Position des Gruppenspannungswertes 207 im Bereich 205 des Fuzzy-Sets deutet an, dass entweder der Gruppenspannungswert 207 oder der Schwerpunkt des Fuzzy-Sets 201 fehlplaziert sind. Zu jedem Betriebspunkt wird ein eigener Fuzzy-Set zugeordnet.
In Fig. 3 ist eine erfindungsgemässe Anordnung mit einem Brennstoffzellenstapel und einer Last schematisch dargestellt. Die Last 307 ist mit dem Stapel 301, der in Form von Spannungsquellen in Reihe dargestellt ist, in elektrischer Verbindung. Die Messaufnehmergruppen 303, schematisch durch zwei unterschiedliche Operationsverstärker 309, 311 dargestellt, leiten das Messsignal an einen Multiplexer 313 einer Auswertegruppe 305 zu. Die analogen Signale werden durch einen A/D- Konverter 317 gewandelt und in einem Speicher 315 zur weiteren Bearbeitung abgelegt. Die Messaufnehmergruppe 303 muss hochspannungsfest sein, wenn der Stapel 301 entsprechend viele Zellen aufweist.
An Stelle der Messaufnehmergruppen 303 aus Fig. 3 können auch die Anordnungen der Fig. 4 gewählt werden. Der Stapel 401 wird gruppiert. Er bietet eine Spannung für die Versorgung der Messaufnehmer, wie auch das Signal der Gruppenspannung. Über Spannungsstabilisierungselemente 407 wird die Versorgungsspannung der Operationsverstärker 403 und der Messschaltung zur Verfügung gestellt. Das analoge Signal wird analog über einer der beiden Photodioden 405 an die weitere Elektronik 409 übertragen. Die Sperrdiode 411 verhindert den Rückfluss des Stromes in die virtuelle Masse. Die Gruppengrösse wird auf der einen Seite nach der Ungleichung zur Gruppengrösse bestimmt und zum anderen durch die erwünschte Versorgungsspannung für die Schaltungen hervorgerufen. Ein Messaufnehmer greift in die Gruppe eines benachbarten Messaufnehmers ein, kann aber auch bei Bedarf entkoppelt von dem benachbarten Messaufnehmer eine eigene Gruppe von Brennstoffzellen für die Versorgungsspannung und für das Messsignal haben.
Obwohl nur einzelne Ausführungsbeispiele durch die Zeichnungen und ihre Beschreibungen abgedeckt sind, ist es offensichtlich, dass an Stelle der Ermittlung des zulässigen Gruppenspannungsbereiches mit Hilfe zweier Additionen von Termen auf Grundlage von Fuzzy-Sets auch andere Funktionen entweder numerisch, als Kennlinienfelder oder als geschlossene Form in einer Überwachungseinheit eingesetzt werden können.

Claims (11)

1. Eine Überwachungseinheit für einen Brennstoffzellenstapel, wenigstens eine Brennstoffzellengruppe umfassend, wobei jede Gruppe wenigstens aus zwei Brennstoffzellen in Serie besteht und jede Gruppe eine Spannung innerhalb eines Gruppenspannungsbereiches während normalem Betriebes hat, wobei der Gruppenspannungsbereich in Funktion zu einem Stapelbetriebsparameter steht, und die Überwachungseinheit elektrisch in Verbindung mit dem Stapel zur Messung jeder Zellspannungsgruppe steht,
dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit der Art genutzt wird,
dass ein Signal aufgenommen wird, das einen Stapelbetriebsparameter repräsentiert,
ein vergleichbares Spannungssignal basierend auf dem Stapelbetriebsparameter erzeugt wird,
ein Vergleich zwischen den Spannungen jeder Brennstoffzellengruppe mit dem vergleichbaren Spannungssignal durchgeführt wird, und
eine korrigierende Maßnahme initiiert wird, wenn eine Spannung einer Spannungsgruppe abweicht von dem vergleichbaren Spannungssignal.
2. Eine Überwachungseinheit nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Brennstoffzellen in einer Gruppe, die mit der Überwachungseinheit in elektrischer Verbindung steht, durch eine Vergleichsrechnung mit Hilfe der Streuung einzelner Spannungen bestimmt wird, und hierdurch die Anzahl der Gruppen pro Stapel ermittelt wird.
3. Eine Überwachungseinheit nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der Stapelbetriebsparameter einer Gruppe entnommen wird, die aus Stapelstrom, Stapelkühlflüssigkeitseingangstemperatur, Stapelkühlflüssigkeitsaus­ gangstemperatur, Gasdruck und Massenfluss, Temperatur des Brenngases oder der Luft zu oder von dem Stapel besteht.
4. Eine Überwachungseinheit nach Anspruch 3, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der Stapelbetriebsparameter der Stapelstrom ist.
5. Eine Überwachungseinheit nach Anspruch 1, wobei der Gruppenspannungbereich eine Funktion eines weiteren Stapelbetriebsparameters ist, und die Überwachungseinheit weiterhin dadurch gekennzeichnet wird, dass ein weiteres Signal basierend auf einem Stapelbetriebsparameter aufgenommen wird, und ein vergleichbarer Spannungswert erzeugt wird, welches auf dem Signal und dem weiteren Signal basiert.
6. Eine Überwachungseinheit nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Gruppenspannungsbereiches zunehmend mit der Zunahme des Wertes des Signales ist.
7. Eine Überwachungseinheit nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass das vergleichbare Spannungssignal dadurch erzeugt wird, dass eine Offsetspannung von der niedrigsten Spannung des Gruppenspannungsbereiches abgezogen wird.
8. Eine Überwachungseinheit nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass das vergleichbare Spannungssignal durch eine statistische Funktion ermittelt wird.
9. Eine Überwachungseinheit nach Anspruch 8, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die statistische Funktion ein binärer oder ein tertiärer Fuzzy-Set oder eine Verteilungs- oder Dichtefunktion ist.
10. Eine Überwachungseinheit nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass in die Erzeugung des vergleichbaren Spannungssignales die zuvor aufgenommenen Spannungen von Brennstoffzellengruppen eingehen.
11. Eine Überwachungseinheit nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Messspannung einer Gruppenspannung über eine Kombination aus Optokoppler und Operationsverstärker analog ausgekoppelt und galvanisch getrennt wird.
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