DE10128836A1 - Elektrisches Isolationssystem für einen Brennstoffzellenstapel und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels - Google Patents

Abstract

Vorgesehen ist ein elektrisches Isolationssystem für einen Brennstoffzellenstapel sowie ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels. Der Stapel umfaßt mehrere in Serie geschaltete Brennstoffzellen und einen Kühlkreislauf zur Kühlung der Brennstoffzellen während dem Betrieb unter Verwendung eines flüssigen Kühlmittels mit einer eingeschränkten elektrischen Leitfähigkeit. Der Stapel ist mit einem Chassis verbunden, das eine Chassiserdung aufweist, und umfaßt mehrere Kühlpassagen für die Brennstoffzellen. Der Kühlkreislauf umfaßt mehrere elektrisch leitfähige Komponenten, beispielsweise eine äußere Begrenzungswand des Brennstoffzellenstapels, einen Kühler und/oder eine Pumpe, von denen zumindest eine mit der Chassiserdung verbunden ist. Eine Meßschaltung ist zur Messung des Widerstandes zwischen einer ausgewählten Brennstoffzelle und der Chassiserdung vorgesehen, und eine Überwachungsschaltung sieht ein Warnsignal vor oder unterbricht die Verbindung zu den Ausgangsanschlüssen des Stapels oder schaltet den Stapel ab, falls der Widerstand einen kritischen Wert erreicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Isolationssystem für ei­ nen Brennstoffzellenstapel und ein Verfahren zum Betreiben eines Brenn­ stoffzellenstapels.

Brennstoffzellenstapel umfassen mehrere parallel und/oder in Serie ge­ schaltete Brennstoffzellen. Es gibt viele verschiedene Formen von Brenn­ stoffzellen, von denen einige bei extrem hohen Temperaturen und von de­ nen andere bei relativ niedrigen Temperaturen arbeiten. Brennstoffzellen, die bei relativ niedrigen Temperaturen arbeiten, werden tendenziell als Triebwerke in Kraftfahrzeugen bevorzugt. Es gibt verschiedene Typen von Niedrigtemperaturbrennstoffzellen. Ein häufig verwendeter Brennstoffzel­ lentyp für Fahrzeuganwendungen ist die sogenannte PEM-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane). In einer Brennstoffzelle dieser Art sind eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, beide jeweils mit einem Katalysatormaterial beschichtet, durch eine synthetische Membran ge­ trennt, und die die zwei durch die Membran getrennten Elektroden um­ fassende Anordnung, häufig MEA genannt (Membrane Electrode Assem­ bly) ist zwischen zwei leitfähigen Platten eingeschlossen, die als bipolare Platten bezeichnet werden. In einem Brennstoffzellenstapel sind mehrere Brennstoffzellen Seite an Seite angeordnet, so daß jede einzelne bipolare Platte (abgesehen von den Endplatten des Stapels) zwei benachbarten Brennstoffzellen zugeordnet ist. Die bipolaren Platten sind an ihren in Richtung der Elektroden weisenden Seiten mit Passagen oder Kanälen versehen, die eine Zuführung von Wasserstoff zu der Anodenelektrode ei­ ner Brennstoffzelle und die Zuführung von Sauerstoff in Form von Luft zu der Kathodenelektrode einer benachbarten Brennstoffzelle ermöglichen. Während dem Betrieb der Brennstoffzelle wandern die durch den Wasser­ stoff gelieferten Protonen durch die Membran und kombinieren unter Bil­ dung von Wasser mit dem Sauerstoff und erzeugen Elektrizität. Wenn mehrere Brennstoffzellen in einem Stapel angeordnet sind, dienen die bi­ polaren Platten als eine Trenneinrichtung zwischen benachbarten Brenn­ stoffzellen, d. h. die bipolare Platte hat auf der einen Seite Passagen zur Leitung des Wasserstoffs zu der Anode der einen Brennstoffzelle und auf der anderen Seite Passagen zur Leitung der Luft zu der Kathode einer be­ nachbarten Brennstoffzelle und bewahrt eine Trennung dieser Gasflüsse.

Während dem Betrieb derartiger Brennstoffzellen wird Wärme erzeugt und eine Kühlung der Brennstoffzellen ist vorgesehen. Diese Kühlung wird durch das Einbringen von Kühlpassagen in die bipolaren Platten bewirkt, durch die ein Kühlmittel fließt. Somit erfüllen die bipolaren Platten eine trennende Funktion, indem sie benachbarte Brennstoffzellen voneinander trennen. Gleichzeitig sind sie elektrisch parallel oder in Serie miteinander verbunden, um sie in einen elektrischen Schaltkreis einzubinden, durch den die durch die Brennstoffzelle erzeugte Elektrizität entnommen werden kann. Eine typische PEM-Zelle erzeugt eine Ausgangsspannung von etwa 0,9 V. In einem typischen Brennstoffzellenstapel gibt es eine Anzahl von Brennstoffzellen, die ausreichend ist, um eine relativ hohe Arbeitsspan­ nung zu erzeugen, typischerweise im Bereich von 100 bis 400 V. Brenn­ stoffzellen mit hohen Arbeitsspannungen sind der Gegenstand strenger Sicherheitsanforderungen, insbesondere wenn flüssige Kühlmittel zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels verwendet werden. Frühere Versu­ che, diese Anforderungen zu erfüllen, konzentrierten sich auf den Ver­ such, eine vollständige Isolierung des Kühlkreislaufs einschließlich Küh­ ler, Pumpen, Röhren, und eine vollständige Isolation des Brennstoffzellen­ stapels selbst zu erreichen. Es wurden auch Versuche unternommen, nicht leitfähige Flüssigkeiten als Kühlmittel zu verwenden, was beabsich­ tigt ist, um zu verhindern, daß gefährliche Spannungsniveaus an dem Brennstoffzellenstapel durch das Kühlmittel zum Kühler oder zu anderen Komponenten übertragen wird, was ein ernstes Sicherheitsrisiko verhin­ dern würde.

Die elektrische Isolierung großer Komponenten, wie beispielsweise Küh­ lern, ist jedoch aufgrund von Platzbeschränkungen und Problemen, die mit der Blockierung von Kühlungsluft verbunden sind, in einem Fahrzeug oder einem beliebigen anderen System nicht sehr praktikabel. Die Ver­ wendung nicht leitfähiger Kühlmittel (beispielsweise Öl) hat signifikante Nachteile, da die physikalischen Eigenschaften derartiger Kühlmittel, bei­ spielsweise die Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Viskosität, be­ schränkt sind. Darüber hinaus bedeuten derartige nicht leitfähige Kühl­ mittel ein Umweltproblem, da immer die Gefahr eines Lecks besteht, bei­ spielsweise wenn im Falle eines Unfallschadens Verbindungen versagen. Des weiteren bestehen besondere Probleme beim Betreiben derartiger Kühlmittel bei niedrigen Temperaturen. Solche nachteiligen Eigenschaften beeinflussen auf negative Weise die Systemleistungsdichte, die Kühlergrö­ ße und die zum Antrieb der Kühlerventilatoren und der Kühlmittelpum­ pen benötigte Leistung.

Aufgrund dieser Nachteile wurde die Aufmerksamkeit auf die Verwendung von Wasser plus Kühlmittel auf Antifrostschutzbasis zur Flüssigkeits­ kühlung gerichtet. Es ist jedoch wichtig, ein Kühlmittel mit einer relativ kleinen Leitfähigkeit zu verwenden. Wie oben erläutert, sind die bipolaren Platten der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels elektrisch parallel und/oder in Serie geschaltet, und das flüssige Kühlmittel fließt auf paral­ lele Weise durch die bipolaren Platten. Ist das flüssige Kühlmittel leitfähig, so stellt es somit gewissermaßen einen Erdschlußfehler der bipolaren Platten dar, was natürlich unerwünscht ist.

Für den Einsatz in Brennstoffzellen günstige flüssige Kühlmittel mit einer relativ niedrigen Leitfähigkeit sind verfügbar. Es besteht jedoch immer die Gefahr, daß während der tatsächlichen Verwendung eines Brennstoffzel­ lensystems jemand das falsche Kühlmittel in das System hinzugibt. In Brennstoffzellenstapeln verwendete flüssige Kühlmittel sind außerdem von der Seite her kritisch, daß sie so ausgebildet sein müssen, daß korrosive und elektrolytische Effekte vermieden werden, die zu einer langfristigen Schädigung des Brennstoffzellenstapels führen könnten.

Darüber hinaus ist es bekannt, daß flüssige Kühlmittel während der Ver­ wendung über einen längeren Zeitraum verderben.

Zusätzlich zu den vorhergenannten Problemen gibt es außerdem das all­ gemeine Problem in Brennstoffzellenstapeln, daß Fehler auftreten können, die zu einer Schädigung oder einem Versagen der Isolierung des Brenn­ stoffzellenstapels führen können, was zu gefährlichen Situationen führen könnte. Derartige gefährliche Situationen könnten insbesondere dann akut sein, wenn das Fahrzeug in einen Unfall verwickelt war oder wenn eine andere Fehlfunktion stattgefunden hat, welche die Qualität der Isolie­ rung beeinträchtigt.

Angesichts der oben genannten Probleme ist es eine Aufgabe der vorlie­ genden Erfindung, ein elektrisches Isolationssystem für einen Brennstoff­ zellenstapel und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensta­ pels derart zu schaffen, daß die Qualität der elektrischen Isolierung konti­ nuierlich überwacht werden kann und daß im Fall einer fehlerhaften Iso­ lierung Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden können, um einen Scha­ den an dem Brennstoffzellenstapel und an zugeordneten Komponenten abzuwenden und um gefährliche Situationen aufgrund einer ungenügen­ den elektrischen Isolierung zu verhindern.

Darüber hinaus ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Isolationssystem und ein Verfahren der oben genannten Art zur Verfügung zu stellen, das mit relativ geringen Kosten implemen­ tiert werden kann und das zuverlässig arbeitet.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Isolationssystem und ein Verfahren der oben genannten Art zu schaffen, das eine realistische Annäherung an Überlegungen ermöglicht, wie bei­ spielsweise das Verderben des flüssigen Kühlmittels, das zwangsläufig über einen längeren Zeitraum passiert, mit der Möglichkeit sicherzustel­ len, daß das flüssige Kühlmittel rechtzeitig ausgewechselt wird, bevor das Verderben einen kritischen Wert erreicht hat.

Zur Lösung dieser Aufgaben ist erfindungsgemäß ein elektrisches Isolati­ onssystem für einen Brennstoffzellenstapel, der mehrere in Serie geschal­ tete Brennstoffzellen aufweist, und ein Kühlkreislauf zur Kühlung der Brennstoffzellen während dem Betrieb unter Verwendung eines flüssigen Kühlmittels mit einer beschränkten elektrischen Leitfähigkeit vorgesehen, wobei der Brennstoffzellenstapel mit einem Chassis verbunden ist, das ei­ ne Chassiserdung aufweist, und mehrere Kühlpassagen für die Brenn­ stoffzellen umfaßt, wobei die Kühlpassagen parallel und/ oder in Serie ge­ schaltet sind und der Kühlkreislauf einen Einlaß zur Zuführung des flüs­ sigen Kühlmittels in den Stapel und in die Kühlpassagen, einen Auslaß zur Entfernung des flüssigen Kühlmittels aus dem Stapel nach Strömung durch die Kühlpassagen, einen zur Kühlung des flüssigen Kühlmittels als Wärmetauscher vorgesehenen Kühler mit einem Einlaß und einem Aus­ laß, eine erste Kühlmittelleitung zum Verbinden des Kühlerauslasses mit dem Brennstoffzellenstapeleinlaß, eine zweite Kühlmittelleitung zum Ver­ binden des Stapelauslasses mit dem Kühlereinlaß und eine Pumpe zur Zirkulation des flüssigen Kühlmittels in dem Kühlkreislauf umfaßt, wobei der Kühlmittelkreislauf mehrere elektrisch leitfähige Komponenten um­ faßt, wie zum Beispiel eine äußere Begrenzungswand des Brennstoffzel­ lenstapels, den Kühler und/oder die Pumpe, wobei zumindest eine dieser elektrisch leitfähigen Komponenten mit der Chassiserdung verbunden ist und wobei ein Meßschaltkreis zur Messung des Widerstandes zwischen einer ausgewählten Brennstoffzelle und der Chassiserdung vorgesehen ist.

Die äußere Begrenzungswand des Brennstoffzellenstapels kann beispiels­ weise eine Wand eines den Stapel umgebenden metallischen Gehäuses oder eine Metallplatte oder eine dem Stapel benachbarte Fahrzeugstruktur oder eine Endplatte oder Seitenwand des Stapels selbst sein.

Außerdem ist ein Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellensta­ pels vorgesehen, der mehrere in Serie geschaltete Brennstoffzellen und ei­ nen Kühlkreislauf zur Kühlung der Brennstoffzellen während dem Betrieb unter Verwendung eines flüssigen Kühlmittels mit einer beschränkten elektrischen Leitfähigkeit aufweist, wobei der Brennstoffzellenstapel ein zugeordnetes elektrisches Ausgangssystem, zumindest einen Ausgangsan­ schluß und ein Schütz zur Verbindung eines jeden Ausgangsanschlusses mit dem elektrischen Ausgangssystem aufweist und mit einem Chassis verbunden ist, das eine Chassiserdung aufweist, wobei der Brennstoffzel­ lenstapel darüber hinaus mehrere Kühlpassagen für die Brennstoffzellen umfaßt, wobei die Kühlpassagen parallel und/oder in Serie geschaltet sind und wobei der Kühlkreislauf einen Einlaß zur Zuführung des flüssi­ gen Kühlmittels in den Stapel und in die Kühlpassagen, einen Auslaß zur Entfernung des flüssigen Kühlmittels aus dem Stapel nach Strömung durch die Kühlpassagen, einen zur Kühlung des Kühlmittels als Wärme­ tauscher vorgesehenen Kühler mit einem Einlaß und einem Auslaß, eine erste Kühlmittelleitung zum Verbinden des Kühlerauslasses mit dem Brennstoffzellenstapeleinlaß, eine zweite Kühlmittelleitung zum Verbinden des Stapelauslasses mit dem Kühlereinlaß und eine Pumpe zur Zirkulati­ on des flüssigen Kühlmittels in dem Kühlkreislauf umfaßt, wobei der Kühlmittelkreislauf mehrere elektrisch leitfähige Komponenten umfaßt, wie zum Beispiel eine äußere Begrenzungswand des Brennstoffzellensta­ pels, den Kühler und/oder die Pumpe, wobei zumindest eine dieser elek­ trisch leitfähigen Komponenten mit der Chassiserdung verbunden ist, wo­ bei das Verfahren die Schritte umfaßt: Messen eines Widerstandes zwi­ schen einer ausgewählten Brennstoffzelle und der Chassiserdung und di­ rektes oder indirektes Durchführen eines Vergleiches zwischen dem ge­ messenen Widerstand und zumindest einem Schwellwert und, im Falle eines ungünstigen Vergleiches, Erzeugen eines Warnsignals und/oder Unterbrechen eines Schützes, der den Ausgangsanschluß des Stapels mit dem elektrischen System verbindet und/oder Abschalten des Brennstoff­ zellenstapels.

Immer wenn in dieser Beschreibung und den Ansprüchen Bezug auf Ge­ genstände im Singular genommen wird, wie beispielsweise "ein Kühler", "eine Pumpe", "ein Schütz" etc., soll es so verstanden werden, daß es einen oder mehrere solche Gegenstände bedeutet.

Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Konzept ist zunächst einmal die Auswahl einer Gestalt des Brennstoffzellenstapels und des zu­ geordneten elektrischen Systems, die es ermöglicht, Widerstandsverände­ rungen mit Veränderungen in der Qualität der elektrischen Isolierung des Brennstoffzellenstapels und des zugeordneten Systems in Beziehung zu setzen, und die es außerdem erlaubt, die Ursachen für die Veränderung im elektrischen Widerstand zu analysieren und somit eine geeignete ab­ helfende Maßnahme zu ergreifen (Warnung und/oder Unterbrechung und/oder Abschaltung).

Beispielsweise kann eine allmähliche Veränderung im gemessenen Wider­ stand einem allmählichen Verderben des Kühlmittels zugeordnet werden und zur Ausgabe eines Warnsignals führen, wenn ein Auswechseln des Kühlmittels nötig ist. Wenn das Verderben einen kritischen Wert erreicht, kann der Brennstoffzellenstapel automatisch abgeschaltet werden.

Wenn eine plötzliche Veränderung im Widerstand auftritt, kann dies meh­ rere Ursachen haben. Beispielsweise kann das Fahrzeug einen Unfall ge­ habt oder sogar nur einen leichten Schlag bekommen haben, der zu einem Erdungsfehler in dem Brennstoffzellenstapel oder in dem elektrischen Sy­ stem geführt hat, der zu einer charakteristischen Veränderung des gemes­ senen Widerstands führen kann.

Kommt ein Gegenstand versehentlich in Kontakt mit einem Teil des Brennstoffzellenstapels oder des zugeordneten Kühlsystems oder des zu­ geordneten elektrischen Systems, das gegen einen Kontakt isoliert sein sollte, aus welchem Grund auch immer aber ungenügend isoliert ist, bei­ spielsweise weil eine Abdeckung weg gelassen wurde oder aufgrund eines Unfallschadens, dann wird ein Widerstand gewissermaßen parallel mit dem gemessenen Widerstand der Zelle geschaltet, und gleichermaßen tritt eine charakteristische Veränderung auf.

Bei Detektion einer solchen plötzlichen Veränderung können ein oder mehrere elektrische Schütze sofort zur Unterbrechung des elektrischen Schaltkreises aktiviert werden, d. h. um den Hochspannungsanschluß oder die Hochspannungsanschlüsse des Brennstoffzellenstapels von dem elektrischen System zu trennen und somit gefährliche Situationen zu vermeiden. Darüber hinaus kann der Brennstoffzellenstapel abgeschaltet werden, d. h. Ventile können derart betätigt werden, daß die Zuführung von Wasserstoff und/oder atmosphärischem Sauerstoff in den Brennstoff­ zellenstapel abgeschnitten wird, um die Erzeugung von Elektrizität zu verhindern, und/oder der Stapel kann von brennbaren Gasen freigespült werden.

Mit anderen Worten, wurde ein Werkzeug in der Umgebung der Brenn­ stoffzelle liegen gelassen, und hat es einen Kurzschluß oder einen Er­ dungsfehler verursacht, so wird dies sofort in einer Veränderung in dem gemessenen Widerstand resultieren, welche detektiert wird, worauf die ge­ eignete Abhilfemaßnahme ergriffen werden kann, wie beispielsweise die Aktivierung des Schützes zur Unterbrechung des Stromkreises und/oder zum Abschalten des Stapels. Das heißt, der gemessene Widerstandswert kann auf eine zu einem differentiellen Schutzsystem (FI-Schalter) analoge Weise verwendet werden.

Ist des weiteren das Kühlsystem aus irgendeinem Grunde beschädigt, so daß beispielsweise der Fluß des Kühlmittels beschränkt ist, dann wird sich dieses auf den gemessenen Widerstand auswirken. Dies kann detek­ tiert werden, und, je nach Stärke der Veränderung, kann ein Warnsignal ausgegeben oder das System abgeschaltet werden. Fehlt in ähnlicher Wei­ se eine Verbindung zur Erdung oder ist sie korrodiert oder gebrochen oder wurde sie vergessen, dann wirkt sich dies auf den gemessenen Widerstand aus und kann somit detektiert werden.

Sollte jemand während der Wartung oder beim Auffüllen ein flüssiges Kühlmittel mit falscher elektrischer Leitfähigkeit in das System gegeben haben, dann resultiert auch dieses in einer Veränderung des gemessenen Widerstandswertes, und ein geeignetes Warnsignal kann ausgegeben wer­ den, oder das Brennstoffzellensystem kann abgeschaltet werden, wenn die Leitfähigkeitsveränderung des Kühlmittels kritisch ist.

Besonders bevorzugt ist es, wenn das elektrische Isolationssystem auch eine Schaltung zur Messung eines Potentialunterschiedes zwischen einer ausgewählten Brennstoffzelle und der Chassiserdung einschließt.

Die ausgewählte Brennstoffzelle ist bevorzugt die erste neben dem Stapel­ einlaß und/oder dem Auslaß für das Kühlmittel gelegene Brennstoffzelle (muß aber nicht die erste Brennstoffzelle sein). Die bipolare Platte der dem Stapeleinlaß und dem Stapelauslaß am nächsten gelegenen ersten Brenn­ stoffzelle kann sich beispielsweise bei einem Betriebspotentialunterschied im Bereich von +20 V bis -20 V relativ zur Erdung einpendeln, wobei die­ ser Potentialunterschied von der Leitfähigkeit des Kühlmittels, von Er­ dungsfehlerströmen und von Auswirkungen der Kühlgeometrie abhängt. Durch die Überwachung dieses Potentialunterschiedes zusätzlich zu dem gemessenen Widerstand ist es möglich, weitere die Qualität der elektri­ schen Isolation des Brennstoffzellenstapels und des zugeordneten elektri­ schen Systems betreffende Informationen zu erhalten und die Analyse der Ursachen der Veränderungen in der elektrischen Isolierung zu verbessern. Dies ermöglicht eine bessere Auswertung der auftretenden Veränderungen und ein besseres Fällen von Entscheidungen in Antwort auf solche Verän­ derungen.

Somit schlägt die vorliegende Erfindung auch eine Kombination einer Wi­ derstandsüberwachungseinheit, die kontinuierlich den Widerstand des Widerstandsweges, der durch das Kühlmittel und andere parasitäre Wi­ derstandsisolierungswege (bezeichnet als R-ISO zwischen der ausgewähl­ ten Brennstoffzelle und der Erdung) gebildet wird, zusammen mit einer Spannungsüberwachungseinheit, welche die Spannung über den Wider­ standsweg von der Brennstoffzelle durch die Passivierungsschicht der ent­ sprechenden Zelle, über Kanalbereiche in der MEA und über Kühlmittel­ fließwege in dem Brennstoffzellenstapel und in der Kühlmittelmenge in Richtung der Chassiserdung (bezeichnet als V-ISO) überwacht. Bevorzugt wird die dem Kühlmitteleinlaß/-auslaß am nächsten gelegene Brennstoff­ zelle als Verbindung zu dem Überwachungsschaltkreis ausgewählt.

Dies ermöglicht die Realisierung einer Kontrolleinrichtung und die Imple­ mentierung eines Algorithmus, der in der Lage ist, nicht nur eine Verän­ derung im Widerstand zu errechnen, sondern auch Fehlerströme, die entlang des beschriebenen Höhenmittelweges fließen, insbesondere DC- Fehlerströme und Niederfrequenz AC-Fehlerströme. Dieser Fehlerstrom kann unter Verwendung des ohmschen Gesetzes errechnet werden, d. h.

I-ISO = V-ISO/R-ISO,

und ermöglicht es, jedes einzelne R-ISO, V-ISO und I-ISO mit angepaßten Sicherheitsschwellwerten zu vergleichen und Warnungen auszugeben und/oder die Hochspannung abzuschalten. Dieses System ermöglicht die Berücksichtigung und Überwachung des Verderbens eines Kühlmittels mit der Zeit, unerwünschter Veränderungen in der Kühlmittelkanalgeo­ metrie und des Verlustes der Sicherheitserdung.

Die bevorzugte Verwendung eines Stapelkühlungsschemas bei einem Sta­ pel oder einer Stapelanordnung, bei der ein schlecht leitfähiges Kühlmittel an derselben Spannungspotentialplatte, die beispielsweise eine Endplatte des Brennstoffzellenstapels oder eine zentrale Zapfplatte in Mehrfachsta­ pelanordnungen sein kann, in den Stapel eintritt oder aus diesem austritt, ermöglicht die Bildung eines kontrollierten Erdungsweges. Alle leitfähigen Elemente des Kühlkreislaufes, die in Kontakt mit dem Kühlmittel stehen, wo die Gefahr besteht, daß sie im Fall eines Isolierungsfehlers gefährliche Spannungswerte erreichen, sind mit der Chassiserdung verbunden und somit sicherheitstechnisch geerdet.

Das elektrische Isolationssystem ist bevorzugt derart ausgestaltet, daß der Widerstandsweg zwischen der ausgewählten Brennstoffzelle und der Chassiserdung zu einem gemessenen Widerstand führt, der so groß wie möglich ist. In einer derartigen Anordnung können Veränderungen im Wi­ derstand empfindlich gemessen werden.

Bevorzugte Ausführungsformen des elektrischen Isolationssystems und des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den untergeordneten Ansprüchen und werden nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben, in denen gezeigt sind:

Fig. 1 ein Teilschnitt durch zwei benachbarte Brennstoffzellen ei­ nes Brennstoffzellenstapels,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Isolationssystems für einen Brennstoffzellenstapel, in der der Kühlkreislauf und das elektrische Stromsystem des Brennstoffzellenstapels, hier in Gestalt eines einzigen Sta­ pels, gezeigt ist,

Fig. 3 eine schematische Zeichnung ähnlich wie in Fig. 2, jedoch von einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einem doppelten Stapel,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungs­ gemäßen Ausführungsform einer Mehrfachstapelanordnung mit einem zugeordneten Kühlsystem, und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Ersatzschaltbildes für die Ausführungsform in Fig. 3.

Fig. 1 zeigt einen Teilschnitt eines Brennstoffzellenstapels 10 mit mehre­ ren einzelnen Brennstoffzellen 12 (von denen lediglich zwei vollständige Zellen gezeigt sind), die elektrisch in Serie geschaltet sind. Jede einzelne Brennstoffzelle 12 umfaßt eine sogenannte MEA 14, die zwischen zwei bi­ polaren Platten 16 eingefaßt ist. Wie aus Fig. 1 erkennbar ist, ist jede ein­ zelne bipolare Platte 16, anders als die bipolaren Platten 16' an den Enden des Stapels, zwischen zwei benachbarten Brennstoffzellen gelegen. Jede einzelne bipolare Platte 16, 16' weist eine zentrale Kühlpassage 17 auf, durch die ein flüssiges Kühlmittel fließt.

Nun auch auf Fig. 2 Bezug nehmend weist die erste bipolare Platte 16' der ersten Brennstoffzelle des Stapels eine schwebende Spannung auf, die in einer typischen Anwendung beispielsweise 10 V betragen kann. Die Größe dieser schwebenden Spannung hängt von der Strömung des flüssigen Kühlmittels durch den Stapel und von der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels ab. Es sollte bemerkt werden, daß alle hier genannten Span­ nungen rein beispielhaft aufgeführt werden und nicht dahingehend inter­ pretiert werden, daß sie in irgendeiner Weise den Umfang der Erfindung oder der Ansprüche einschränken. Die schwebende Spannung wird über eine Leitung 22 an einen Eingang 18 eines DC/DC-Wandlers 20 angelegt. Der andere Eingang 24 des DC/DC-Wandlers ist über eine Leitung 26, ein Schütz 28 und eine Leitung 30 mit der letzten bipolaren Platte 16' des Brennstoffzellenstapels verbunden. In der gezeigten Ausführungsform trägt die letzte bipolare Platte 16' eine Spannung von -175 V. Zur Verein­ fachung sind in Fig. 2 nur die erste und die letzte bipolare Platte 16' des Brennstoffzellenstapels 10 gezeigt. Die Positionen der übrigen Brennstoff­ zellen sind durch die die zugeordneten Kühlpassagen 17 darstellenden Li­ nien symbolisiert. Der an den DC/DC-Wandler 20 angelegte Potentialun­ terschied beträgt daher in diesem Fall 185 V. Der DC/DC-Wandler 20 ist so gestaltet, daß er an den beiden Ausgangsleitungen 32 und 34 eine Aus­ gangsspannung von 200 V vorsieht und daß diese Ausgangsspannung in ein Strominvertiermodul 36 angelegt wird, das einem Elektromotor 38 zum Antrieb eines Kompressors Strom zuführt, der dem Brennstoffzellen­ stapel komprimierte Luft zuführt (nicht gezeigt, aber allgemein bekannt). Das Strominvertiermodul 36 ist außerdem mit weiteren AC-Motoren zum Antrieb der Fahrzeugräder verbunden. Das Strominvertiermodul 36 und der Motor 38 sowie andere mit diesen verbundene elektrische Einrichtun­ gen sind alle geerdet, wie schematisch durch den Kasten 40 und die Erd­ verbindung 42A dargestellt. Ein Gehäuse 44A umgibt schematisch den Brennstoffzellenstapel 12 und ist bei 42B ebenso mit der Erde verbunden und ist außerdem über die Leitung 46 mit dem geerdeten Gehäuse 40 für das Strominvertiermodul 36 verbunden.

Wie in der schematischen Darstellung der Fig. I gezeigt, weist jede einzel­ ne der mit einer Brennstoffzelle verbundenen bipolaren Platten eine Kühl­ passage 17 in ihrem Inneren auf, und die Kühlpassagen 17 aller Brenn­ stoffzellen des Stapels 12 sind auf einer Seite des Stapels mit einer Ver­ teilerverzweigung 52 verbunden, die das flüssige Kühlmittel aus einem Stapeleinlaß 54 empfängt, und sind auf der anderen Seite des Stapels mit einer Sammelverzweigung 56 verbunden, die das Kühlmittel, welches durch die bipolaren Platten 16 fließt, zu einem Stapelauslaß 58 führt. Der Stapelauslaß 58 ist über einen flexiblen Schlauch 60 mit einem Einlaß 62 eines Kühlers 64 mit, in dieser Ausführungsform, zwei Kühlventilatoren 66 und 68 verbunden. Das durch die Matrix des Kühlers 64 fließende flüssige Kühlmittel wird durch Wärmeaustausch mit Kühlungsluft ge­ kühlt, die durch den Betrieb der beiden Ventilatoren 66 und 68 durch die Matrix des Kühlers 64 strömt. Das aus dem Auslaß 70 des Kühlers aus­ tretende flüssige Kühlmittel wird dann über einen flexiblen Schlauch 72 zu dem Einlaß 74 einer Pumpe 76 gelenkt, die das flüssige Kühlmittel über einen Auslaß 78 und einen weiteren flexiblen Schlauch 80 dem Sta­ peleinlaß 54 zuführt. In der Zeichnung der Fig. 2 repräsentiert 42C eine Verbindung des metallischen Körpers der Pumpe 76 zu der Chassiser­ dung, und 42D bezeichnet eine Verbindung der metallischen Matrix des Kühlers mit der Chassiserdung. In der Ausführungsform der Fig. 1 ist zu­ sätzlich der Einlaßstutzen 84, der den Einlaß 54 zu dem Brennstoffzellen­ stapel 10 bildet, bei 42E geerdet. Auf ähnliche Weise ist auch der metalli­ sche Auslaßstutzen 86, der den Stapelauslaß 58 bildet, bei 42F geerdet.

In der Anordnung der Fig. 2 umfaßt der Brennstoffzellenstapel daher mehrere Kühlpassagen 17 für die Brennstoffzellen, wobei die Kühlpassa­ gen hier parallel zwischen der Verteilerverzweigung 52 und der Sammel­ verzweigung 56 geschaltet sind. Der Kühlkreislauf umfaßt: den Einlaß 54 zur Zuführung des flüssigen Kühlmittels in den Stapel 10 und in die Kühlpassagen 17, den Auslaß 58 zur Entfernung des flüssigen Kühlmit­ tels aus dem Stapel, nachdem es durch die Kühlpassagen geflossen ist, den Schlauch 60, den Kühler 64, der als Wärmetauscher zur Kühlung des flüssigen Kühlmittels vorgesehen ist, und eine durch den flexiblen Schlauch 72 gebildete Fließleitung, die den Kühlerauslaß 70 mit der Pumpe 76 verbindet, die Pumpe 76 und den flexiblen Schlauch 80, der die Pumpe 76 mit dem Stapeleinlaß 84 verbindet. Der Kühlkreislauf schließt somit eine erste durch den flexiblen Schlauch 72 gebildete Fließleitung, den flexiblen Schlauch 80 und die Pumpe 76 zur Zirkulation des flüssigen Kühlmittels im Kühlkreislauf und eine durch den Schlauch 60 gebildete zweite Kühlmittelleitung ein, die den Stapelauslaß 58 mit dem Kühlerein­ laß 62 verbindet. Der Kühlkreislauf umfaßt mehrere leitfähige Kompo­ nenten. Diese schließen die äußere Begrenzungswand 44A des Brennstoff­ zellenstapels ein, die typischerweise aus mehreren Platten aufgebaut ist und die unter anderem die Verteilerverzweigung 52 und die Sammelver­ zweigung 56 für die Strömung des Kühlmittels deiniert. In ähnlicher Wei­ se definiert die Plattenkonstruktion weitere Verzweigungen (nicht gezeigt) zur Zuführung von Wasserstoff oder einem synthetisierten wasserstoffrei­ chen Gas zu den Anoden der Brennstoffzellen und zur Zuführung von Luft und somit atmosphärischem Sauerstoff zu den Kathoden der Brennstoff­ zellen. In bekannter Weise deiniert die Plattenkonstruktion auf ähnliche Weise zusätzliche Verzweigungen zur Leitung der Anodenabgase und der Kathodenabgase von dem Brennstoffzellenstapel 10 weg.

In dieser Ausführungsform sind der Einlaßstutzen 86 und der Auslaßstut­ zen 84 metallische Komponenten, die bei 42E und 42F separat geerdet sind. Sie stehen nicht unbedingt in direktem elektrischen Kontakt mit der Plattenkonstruktion des Brennstoffzellenstapels 10, da synthetische Dichtungselemente zwischen ihnen vorliegen können.

Darüber hinaus sind, wie bereits erwähnt, der leitfähige Körper der Pumpe 76, der Kühler 64, ein beliebiges Gehäuse 44, das für den Brennstoffzel­ lenstapel vorliegen mag, und beliebige mit dem elektrischen System ver­ bundene Gehäuse, beispielsweise das Gehäuse 40, alle mit der Chassiser­ dung verbunden. Somit sind in dieser Ausführungsform alle dem Kühl­ kreislauf zugeordneten elektrisch leitfähigen Komponenten getrennt geer­ det. Dies ist jedoch nicht wesentlich, es ist möglich, nur einige oder ledig­ lich eine einzige dieser Komponenten zu erden. Es ist jedoch sinnvoll, zu­ mindest eine dem Kühlmitteleinlaß oder -auslaß des Stapels nahegelegene elektrisch leitfähige Komponente zu erden. Dies stellt automatisch sicher, daß andere, weiter vom Stapel entfernte elektrisch leitfähige Komponenten gewissermaßen über das schlecht elektrisch leitfähige Kühlmittel geerdet sind. Diese Überlegung gilt für alle möglichen Ausführungsformen der Er­ findung.

In der Ausführungsform von Fig. 2 ist eine Widerstandsmeßschaltung 90 vorgesehen, die in dieser Ausführungsform mit der ersten Brennstoffzelle 12 des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, d. h. mit der dem Stapelein­ laß 54 und dem Stapelauslaß 58 am nächsten gelegenen Brennstoffzelle, und die an ihrem anderen Anschluß, wie angedeutet, bei 42G mit der Chassiserdung verbunden ist. Die Strommeßschaltung arbeitet durch Überlagern einer Wechselspannung zwischen der Chassiserdung 42G und der ersten Brennstoffzelle 12 und durch die Messung des Wechselstroms, der als Resultat der angelegten Wechselspannung fließt. Die Frequenz der Wechselspannung und somit des Wechselstroms kann beispielsweise un­ gefähr 50 Hz betragen. Dieser Wechselstrom beeinträchtigt nicht den Be­ trieb der Brennstoffzelle, sondern ermöglicht die Messung des Widerstan­ des zwischen der ersten Brennstoffzelle und der Chassiserdung unter Verwendung des ohmschen Gesetzes

R-ISO = Wechselspannung geteilt durch Wechselstrom.

Die Chassiserdung, mit der alle Erdverbindungen 42A bis 42G hergestellt werden, kann beispielsweise das Chassis eines Fahrzeugs sein. Der durch die Schaltung 90 ermittelte Widerstandswert R-ISO wird, wie schematisch durch den Pfeil 92 angedeutet, an eine Überwachungseinheit 94 gegeben, die einen Vergleich durchführt zwischen dem gemessenen Widerstands­ wert und zumindest einem vorgegebenen Schwellwert, der in der Überwa­ chungseinheit 94 gespeichert ist oder über einen Anschluß 93 in die Überwachungseinheit eingegeben wird. Die Überwachungseinheit 94 kann beispielsweise den gemessenen Widerstandswert mit oberen und unteren Widerstandsschwellwerten vergleichen. Liegt der gemessene Widerstand zwischen diesen Schwellwerten, so wird angenommen, daß das verwen­ dete flüssige Kühlmittel die richtige elektrische Leitfähigkeit aufweist.

Sollte, wie bei 96 schematisch dargestellt, ein Gegenstand, beispielsweise ein Werkzeug, unbeabsichtigterweise das elektrische Hochspannungssys­ tem kontaktieren, so wird, unabhängig davon, wo das Werkzeug das elek­ trische Hochspannungssystem berührt, eine signifikante Veränderung des gemessenen Widerstandes detektiert. Die Überwachungseinheit 94 ist so ausgelegt, daß sie über die Leitung 98 das Schütz 28 so betätigt, daß das elektrische System von der Hochspannungsseite der Brennstoffzelle ge­ trennt wird, um gefährliche Situationen aufgrund des Werkzeugs zu ver­ hindern, das bei 96 schematisch angedeutet ist und von dem angenom­ men wird, daß es bei 42H mit der Erdung in Verbindung steht.

Sollte sich des weiteren als Resultat eines Unfallschadens an dem Brenn­ stoffzellensystem oder am elektrischen System ein Erdungsfehler entwic­ keln, resultiert dies ebenso in einer Veränderung im gemessenen Wider­ stand und kann gleichermaßen dazu führen, daß das Schütz 28 unterbro­ chen und das Brennstoffzellensystem abgeschaltet wird. Wenn das Kühl­ system beschädigt ist, beispielsweise aufgrund einer Beschädigung der Brennstoffzelle oder aufgrund eines Verknickens oder einer sonstigen Be­ schädigung einer der flexiblen Schläuche 60, 72 oder 80, so führt dies gleichermaßen zu einer meßbaren Veränderung im Widerstand R-ISO und, je nach Stärke der Veränderung, kann das System entweder über die Leitung 98 abgeschaltet werden oder ein Warnsignal kann über die Warn­ lampe 100 ausgegeben werden, die über die Leitung 102 ebenfalls mit der Überwachungseinheit 94 verbunden ist. Typischerweise sind die flexiblen Schläuche 60, 72 oder 80 isolierende Schläuche, sie können aber auch metallische Komponenten aufweisen, beispielsweise eine Verstärkungslit­ ze, die dann ebenfalls mit der Chassiserdung verbunden werden sollte. Falls ein Erdungsfehler aufgrund des Versagens eines Schlauches auftritt, dann verursacht auch dieses eine Veränderung im Widerstand, die durch die Überwachungseinheit 94 detektiert wird.

Besonders günstig ist es, wenn, wie in Fig. 2 gezeigt, auch eine Schaltung 91 vorgesehen ist, die zur Messung des Potentialunterschiedes zwischen der ausgewählten Brennstoffzelle 12 und der Chassiserdung 42G ausge­ legt ist. Das entsprechende Potentialunterschiedssignal, hier als V-ISO bezeichnet, wird, wie durch den Pfeil 104 angedeutet, an die Überwa­ chungseinheit 94 geleitet. Die Spannungsüberwachungsschaltung umfaßt bevorzugt ein Tiefpaßfilter (nicht gezeigt), um elektrisches Rauschen vom Signal zu eliminieren.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Beispiel eines elektrischen Isolationssystems für einen Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Lehre.

Zur Diskussion der Ausführungsform von Fig. 3 werden die gleichen Be­ zugszeichen wie im Zusammenhang mit der vorherigen Ausführungsform verwendet, sie werden jedoch um die Grundzahl 100 erhöht, um eine klare Unterscheidung zwischen den Ausführungsformen zu erlauben. Es soll verstanden sein, daß die Beschreibung, die für die Merkmale der Ausfüh­ rungsform von Fig. 1 und Fig. 2 gegeben wurde, auch auf die Komponen­ ten von Fig. 3 zutrifft, die Bezugszeichen mit den gleichen letzten zwei Zif­ fern haben.

Der Brennstoffzellenstapel 110 der Ausführungsform von Fig. 3 umfaßt erste und zweite Unterstapel 110A und 110B, die elektrisch in Serie ge­ schaltet sind, deren Gruppen von Kühlpassagen 17 jedoch parallelge­ schaltet sind. Der Brennstoffzellenstapeleinlaß 154 speist somit jede ein­ zelne der Kühlpassagenuntergruppen über entsprechende Einlaßstutzen 184, und der Brennstoffzellenstapelauslaß 158 empfängt über entspre­ chende Auslaßstutzen 186 von jedem der Kühlpassagengruppen Kühl­ mittel. Die ersten Brennstoffzellen 112A und 112B eines jeden Untersta­ pels sind über eine metallische Platte 206 elektrisch miteinander verbun­ den, und die Widerstandsüberwachungsschaltung 190 und die Span­ nungsüberwachungsschaltung 191 sind mit den beiden miteinander ver­ bundenen ersten Zellen 112A und 112B verbunden. Bei dem Hochspan­ nungsstapel führt die metallische Platte 206, welche die ersten Zellen 112A und 112B der Unterstapel 110A und 110B verbindet, eine Span­ nung, die wie in der Ausführungsform von Fig. 1 und Fig. 2 typischerweise zwischen 0 und 10 V liegt. Dies bedeutet, daß die Brennstoffzelle 112C am entgegengesetzten Ende des Unterstapels 110B ein negatives Potential von beispielsweise -175 V hat, während die Endbrennstoffzelle 112D am ent­ sprechenden Ende des anderen Unterstapels 110A ein positives Potential von beispielsweise +175 V hat.

Das elektrische System der Ausführungsform von Fig. 3 entspricht dem aus Fig. 1 und ist auf die gleiche Weise geerdet. Gleichermaßen ist das Gehäuse 144A, das die Brennstoffzellenstapel 110A und 110B der Aus­ führungsform von Fig. 3 einfaßt, wie gezeigt bei 142B geerdet, und die einzelnen Einlaß- und Auslaßstutzen 184 und 186 sind wie gezeigt bei 142E und 142F respektive geerdet. Die flexiblen Zweigleitungen 208 ver­ binden den Stapeleinlaß 154 mit dem Einlaßstutzen 184 und die flexiblen Zweigleitungen 210 verbinden die Unterstapelauslässe 186 für das flüssi­ ge Kühlmittel mit dem Chassisstapelauslaß 158. Der flexible Schlauch 180 führt ähnlich wie in der Anordnung von Fig. 2 zu der Pumpe 176, die gleichermaßen durch den Schlauch 172 mit dem Kühler 164 verbunden ist. Der flexible Schlauch 160 führt das flüssige Kühlmittel von den Unter­ stapeln zurück zum Kühler 164. Die Fehlerdetektion wird bei dieser Aus­ führungsform in genau der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform von Fig. 2 erreicht. Bei dieser Ausführungsform gibt es zwei Schütze 128A und 128B, um eine Unterbrechung jeder der Hochspannungsleitungen 126 und 122 zu erlauben.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elek­ trischen Isolationssystems für einen Brennstoffzellenstapel. Wieder wer­ den die gleichen Grundbezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet, jedoch um 200 erhöht, um eine Unterscheidung der Ausführungsformen zu ermögli­ chen. Wieder soll verstanden sein, daß die Beschreibung, die bezüglich der Elemente der vorherigen Ausführungsformen gegeben wurde, auch für die Elemente der Ausführungsform von Fig. 4 zutrifft, welche die entspre­ chenden letzten zwei Bezugszeichen tragen, und daß die Elemente, die kein Pendant in den anderen Figuren haben, unter Verwendung neuer Be­ zugszeichen beschrieben werden.

In der Ausführungsform von Fig. 4 umfaßt der Brennstoffzellenstapel 210 die einzelnen Unterstapel 210A, 210B, 210C und 210D. Die Brennstoff­ zellen aller vier Unterstapel sind elektrisch in Serie geschaltet, d. h. intern in jedem Unterstapel, wobei die einzelnen Unterstapel über Leitungen 311 miteinander verbunden sind.

Die Schaltungsüberwachungseinheit 294 ist über die Leitung 313 mit den benachbarten bipolaren Platten (nicht gezeigt) der ersten Brennstoffzellen jedes einzelnen der Unterstapel 210A und 210B verbunden, und diese bi­ polaren Platten haben ein schwebendes Potential typischerweise im Be­ reich von 0 und 10 V. Die Brennstoffzelle am äußersten linken Ende des Unterstapels 210D hat in dieser Ausführungsform ein Potential von -200 V, während die Brennstoffzelle am äußersten rechten Ende des Untersta­ pels 210A ein Potential von +200 V hat. Der Stapeleinlaß für das flüssige Kühlmittel ist mit dem Bezugszeichen 254 bezeichnet, und der Sta­ pelauslaß ist mit dem Bezugszeichen 258 versehen. Man kann sehen, daß die Kühlpassagen 217 aller Brennstoffzellenunterstapel 210A, 210C, 210B und 210D in dieser Ausführungsform über den gemeinsamen Stapeleinlaß 254 und den gemeinsamen Stapelauslaß 258 parallel mit flüssigem Kühlmittel versorgt werden.

Somit ist auch in dieser Ausführungsform die Schaltungsüberwachungs­ einheit 290 mit den dem Stapeleinlaß 254 und dem Stapelauslaß 258 am nächsten gelegenen Brennstoffzellen verbunden. Die Arbeitsweise der Wi­ derstandsmeßschaltung 290, der Spannungsmeßschaltung 291 und der Überwachungseinrichtung 294 dieser Ausführungsform ist exakt die glei­ che wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen.

Falls leitfähige Einlaß- und Auslaßstutzen für den Brennstoffzellenstapel oder die Brennstoffzellenunterstapel verwendet werden, sollten diese mit der Chassiserdung verbunden werden. Es kann jedoch günstig sein, die Einlaß- und Auslaßstutzen aus einem nicht leitfähigen Material zu ferti­ gen, beispielsweise aus einem geeigneten Plastik. Der Grund hierfür ist, daß die Länge des Widerstandsweges zum nächsten geerdeten Element, beispielsweise der Pumpe oder dem Kühler, dann derart erhöht ist, daß der tatsächliche Wert des gemessenen Widerstandes höher ist und dies erhöht die Empfindlichkeit der durchgeführten Messungen.

In Fig. 5 ist das Ersatzschaltbild für das Überwachungssystem aus Fig. 3 gezeigt, welches die Widerstandsmeßschaltung 190, die Spannungsmeß­ schaltung 191 und die Überwachungsschaltung 194 umfaßt. In dem Schaltbild von Fig. 5 repräsentiert der Punkt 112' die Verbindung der Überwachungsschaltung mit den ausgewählten Brennstoffzellen 112A und 112B, d. h. mit den verbundenen bipolaren Platten dieser Brennstoffzellen. Der Widerstand R_Kühlmittel repräsentiert den Widerstand, der zwischen den ersten Brennstoffzellen 112' und der Chassiserdung 142G besteht. Der Widerstand R_O repräsentiert andere parasitäre Widerstände, die zwischen den ersten Brennstoffzellen 112A und 112B und der Chassiserdung 142G bestehen, und alle Widerstände sind als parallel angeordnet zu betrach­ ten. Es gibt somit einen effektiven Widerstand R-ISO, der durch die par­ allelgeschalteten Widerstände zwischen dem Punkt 112' und der Chassi­ serdung 142G gebildet ist. In einem, wie in Fig. 3 gezeigten, Hochspan­ nungsstapel wird die Spannung am Punkt 112' durch die Spannungen V_A und V_B bestimmt, die nominell gleich sein sollten, die in der Praxis jedoch häufig variieren unter anderem aufgrund von (unbeabsichtigten) physika­ lischen Unterschieden in den einzelnen Unterstapeln 110A und 110B und als Resultat der Strömungsrate und der Leitfähigkeit des Kühlmittels in den einzelnen Unterstapeln 110A und 110B, die jeweils über ein entspre­ chendes Schütz 128A, 128B mit einem entsprechenden Auslaßanschluß des Brennstoffzellenstapels verbunden sind.

Somit mißt die Schaltung 90 den Widerstand zwischen den ersten Brenn­ stoffzellen 112' und der Erdung, beispielsweise durch Wechselstromzufüh­ rung und Wechselspannungsmessung. Die Spannungsmeßschaltung 191 mißt den Potentialunterschied zwischen den ersten Brennstoffzellen 112' und der Erdung 142G und weist typischerweise das oben genannte Tief­ paßfilter (nicht gezeigt) zur Unterdrückung elektrischen Rauschens auf.

Der Algorithmus, der die Analyse der Isolation des elektrischen Systems ermöglicht und der in der Schaltungsüberwachungseinheit 94 gespeichert ist, kann beispielsweise folgendermaßen ausgelegt sein. Nimmt man an, daß es eine gewünschte Fehlerstromdetektion von 500 Ohm/Volt gibt, dann kann dieser Fehlerstrom als 2 mA ausgedrückt werden. Wenn die Spannungsüberwachungseinrichtung eine Fehleranzeige einer Stärke von beispielsweise 10 V anzeigt, dann kann die durch die Widerstandsüberwa­ chungseinheit erzeugte Anzeige, d. h. R-ISO, als annehmbar betrachtet werden, wenn sie größer oder gleich

R-ISO = 10 V/2 mA = 5 kΩ

ist.

Das heißt, daß die Überwachungsschwellwerte für den Spannungsüber­ wachungsbereich in diesem Beispiel +10 V und -10 V betragen. Solange die Spannung in diesem Bereich, d. h. zwischen +10 V und -10 V, bleibt, kann das System als annehmbar arbeitend erachtet werden, vorausgesetzt R-ISO fällt nicht unter 5 kΩ.

Wenn sich nun ein Fehler in beispielsweise dem Schütz 128B entwickelt, dann wird sich dies in einem Anstieg der Spannung am Punkt 112' auf beispielsweise 12 V auswirken. Normalerweise würde das System nun ab­ geschaltet werden, da dieser Wert von +12 V außerhalb des zulässigen Be­ reiches liegt. Beträgt der gemessene Wert von R-ISO jedoch immer noch 5 kΩ, dann kann die Systemsteuerung beispielsweise so programmiert wer­ den, daß dem Stapel ein weiteres Arbeiten erlaubt wird. Dies bedeutet, daß der Fehlerstrom I-ISO auf 12 V/5 kΩ = 2,4 mA angestiegen ist, was als annehmbar betrachtet werden könnte.

Im Laufe der Zeit verringert sich typischerweise der Widerstand des Kühlmittels aufgrund von Alterungseffekten, Elektrolyse, etc. Der Wider­ stand könnte beispielsweise auf 4 kΩ abfallen. Dies würde bedeuten, daß der Fehlerstrom I-ISO nun 12 V/4 kΩ = 3 mA beträgt, und dieser Wert wä­ re nicht länger annehmbar.

Ein Widerstandsabfall auf 4 kΩ bei einer Spannung am Punkt 112' von nach wie vor 10 V (Äquivalent zu einem Fehlerstrom von 2,5 mA) könnte jedoch immer noch als erträglich erachtet werden.

An diesem Beispiel kann man sehen, daß die Verwendung von anpas­ sungsfähigen Schwellwerten für den Widerstand und die Spannung, ins­ besondere unter Berücksichtigung zulässiger Fehlerstromwerte, ein Be­ treiben des Stapels erlaubt, ohne daß er sofort abgeschaltet wird, wenn einer der Schwellwerte überschritten wird, wodurch in der Praxis unnötige Abschaltungen vermieden werden.

Falls R-ISO plötzlich unter 5 kΩ fallen sollte und der Potentialunterschied am Punkt 112' über 10 V ansteigen sollte, dann kann dies als ein Hinweis darauf gewertet werden, daß R-ISO nicht aufgrund eines Verderbens des Kühlmittels abgenommen hat, sondern aufgrund einer anderen uner­ wünschten Veränderung in den zum Widerstand R_Kühlmittel parallel ge­ schalteten Widerständen. Zum Beispiel aufgrund eines bei 196 schema­ tisch dargestellten Werkzeuges, daß ein Hochspannungselement des elek­ trischen Schaltkreises berührt. In jedem Fall kann ein Warnsignal ausge­ geben werden, und/oder die Schütze können unterbrochen werden, und/oder der Brennstoffzellenstapel kann abgeschaltet werden.

Zeigt die Stromüberwachungseinheit andererseits, daß R-ISO größer als 5 kΩ ist, dann würde, zumindest zunächst, die elektrische Isolierung als korrekt funktionierend erscheinen. Zur Überprüfung kann der Strom I- ISO jedoch unter Verwendung der Gleichung I-ISO = V-ISO/R-ISO errech­ net werden. Falls der I-ISO-Wert größer als 2 mA ist, ist dies wiederum ein Hinweis auf einen Fehler, beispielsweise einen Erdungsfehler, und wieder kann eine Warnung ausgegeben werden, die Schütze können unterbro­ chen werden und das Brennstoffzellensystem kann abgeschaltet werden.

Es sollte bemerkt werden, daß die vorliegende Erfindung nicht auf spezi­ elle Schwellwerte beschränkt ist. Die Verwendung von anpassungsfähigen Schwellwerten ermöglicht es, unnötige Abschaltungen des Brennstoffzel­ lenstapels zu vermeiden.

Es sollte außerdem bemerkt werden, daß die vorliegende Erfindung nicht auf PEM-Brennstoffzellen beschränkt ist, sondern im Grunde in allen be­ kannten Brennstoffzellen, die flüssige Kühlmittel verwenden, verwendet werden kann. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Schaltungsüber­ wachungseinheit mit einer Anzeigevorrichtung (nicht gezeigt) zu verbin­ den, die Informationen anzeigt, wie beispielsweise Diagnoseinformationen, die sich auf die Veränderung im gemessenen Widerstand und im gemes­ senen Potentialunterschied beziehen.

Claims (21)

1. Elektrisches Isolationssystem für einen Brennstoffzellenstapel, der mehrere in Serie geschaltete Brennstoffzellen und einen Kühlkreis­ lauf zur Kühlung der Brennstoffzellen während dem Betrieb unter Verwendung eines flüssigen Kühlmittels mit einer begrenzten elektri­ schen Leitfähigkeit umfaßt, wobei der Brennstoffzellenstapel mit ei­ nem Chassis verbunden ist, das eine Chassiserdung und mehrere Kühlpassagen für die Brennstoffzellen umfaßt, wobei die Kühlpassa­ gen parallel und/oder in Serie geschaltet sind und wobei der Küh­ kreislauf einen Einlaß zur Zuführung des flüssigen Kühlmittels in den Stapel und in die Kühlpassagen, einen Auslaß zur Entfernung des flüssigen Kühlmittels aus dem Stapel nach Fließen durch die Kühlpassagen, einen Kühler, der als Wärmetauscher zur Kühlung des flüssigen Kühlmittels vorgesehen ist und der einen Einlaß und einen Auslaß aufweist, eine erste Kühlmittelleitung, die den Kühler­ auslaß mit dem Brennstoffzellenstapeleinlaß verbindet, eine zweite Kühlmittelleitung, die den Stapelauslaß mit dem Kühlereinlaß ver­ bindet, und eine Pumpe zur Zirkulation des flüssigen Kühlmittels in dem Kühlkreislauf umfaßt, wobei der Kühlkreislauf mehrere elek­ trisch leitfähige Komponenten umfaßt, beispielsweise eine äußere Be­ grenzungswand des Brennstoffzellenstapels, den Kühler und/oder die Pumpe, wobei zumindest eine der elektrisch leitfähigen Komponenten mit der Chassiserdung verbunden ist und wobei eine Meßschaltung zur Messung des Widerstandes zwischen einer ausgewählten Brenn­ stoffzelle und der Chassiserdung vorgesehen ist.

2. Elektrisches Isolationssystem nach Anspruch 1, wobei die ausge­ wählte Brennstoffzelle die den Stapeleinlaß und/oder den Stapelaus­ laß am nächsten gelegene Brennstoffzelle ist.

3. Elektrisches Isolationssystem nach Anspruch 1, wobei zwischen be­ nachbarten Brennstoffzellen bipolare Platten vorgesehen sind, welche die Brennstoffzellen physikalisch voneinander trennen, aber eine elektrische Verbindung zwischen ihnen schaffen.

4. Elektrisches Isolationssystem nach Anspruch 3, wobei die elektrische Meßschaltung für eine Messung des Widerstandes zwischen einer der bipolaren Platten und der Chassiserdung ausgelegt ist.

5. Elektrisches Isolationssystem nach Anspruch 2 und Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei die Meßschaltung mit einer einlaßseitigen bipola­ ren Platte der dem Stapeleinlaß und/oder dem Stapelauslaß am nächsten gelegenen Brennstoffzelle verbunden ist.

6. Elektrisches Isolationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wo­ bei die Widerstandsmeßschaltung so eingerichtet ist, daß sie einen Wechselstrom zwischen der ausgewählten Brennstoffzelle und der Chassiserdung führt und die Widerstandsmessung unter Verwen­ dung des Wechselstroms bewirkt.

7. Elektrisches Isolationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Brennstoffzellenstapel ein zugeordnetes elektrisches Aus­ gangssystem, wenigstens einen Ausgangsanschluss und ein Schütz zur Verbindung jedes Ausgangsanschlusses mit dem elektrischen Ausgangssystem aufweist, und wobei das elektrische Isolationssy­ stem des weiteren eine Schaltungsüberwachungseinrichtung umfaßt, die so eingerichtet ist, daß sie einen dem gemessenen Widerstand entsprechenden Wert empfängt, daß sie einen Vergleich mit zumin­ dest einem voreingestellten Schwellwert anstellt und daß sie eine Warnung ausgibt und/oder daß sie ein beliebiges Schütz unterbricht, welche den Ausgangsanschluß des Stapels mit dem elektrischen Ausgangssystem verbindet, und/oder daß sie ein Abschalten des Stapels bewirkt, wenn der Vergleich ungünstig ausfällt.

8. Elektrisches Isolationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche und eine weitere Schaltung zur Messung eines Potentialunterschie­ des zwischen einer ausgewählten Brennstoffzelle und der Chassiser­ dung umfassend.

9. Elektrisches Isolationssystem nach Anspruch 8, wobei die Überwa­ chungseinrichtung einen Algorithmus vorsieht, der für eine Bewer­ tung des Potentialunterschiedes zusätzlich zum gemessenen Wider­ stand eingerichtet ist, wenn der Vergleich vorgenommen wird.

10. Elektrisches Isolationssystem nach Anspruch 9, wobei der Algorith­ mus als Softwareprogramm in der Überwachungseinheit gespeichert ist.

11. Elektrisches Isolationssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Spannungsmeßschaltung ein Tiefpaßfilter umfaßt.

12. Elektrisches Isolationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, des weiteren eine Warneinrichtung und/oder eine Anzeige umfas­ send, die zur Anzeige des Auftretens eines Fehlers und/oder zur An­ zeige von Informationen, die den Fehler betreffen, mit der Wider­ standsmeßschaltung oder der Schaltungsüberwachungseinrichtung verbunden ist.

13. Elektrisches Isolationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, des weiteren wenigstens ein Schütz umfassend, die in einer mit ei­ nem Hochspannungsausgangsanschluß des Brennstoffzellenstapels verbundenen Ausgangsleitung vorliegt, wobei die Meßschaltung und/oder die Schaltungsüberwachungseinrichtung so eingerichtet ist, daß das Schütz im Falle eines ungünstigen Vergleichs als Hinweis auf einen möglicherweise gefährlichen Fehler unterbrochen wird.

14. Elektrisches Isolationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Brennstoffzellenstapel zumindest erste und zweite Unter­ stapel aufweist, die jeweils eine entsprechende Gruppe von Kühlpas­ sagen aufweisen, wobei die Unterstapel elektrisch in Serie geschaltet sind und die Gruppen von Kühlpassagen parallelgeschaltet sind, so daß der Brennstoffzellenstapeleinlaß jede der Kühlpassagengruppen speist und der Brennstoffzellenstapelauslaß Kühlmittel aus jeder ein­ zelnen Kühlpassagengruppe empfängt.

15. Elektrisches Isolationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Brennstoffzellenstapel zumindest einen den Stapeleinlaß bildenden metallischen Einlaßstutzen und wenigstens einen den Sta­ pelauslaß bildenden metallischen Auslaßstutzen aufweist, wobei zu­ mindest ein metallischer Einlaßstutzen und wenigstens ein metalli­ scher Auslaßstutzen mit der Chassiserdung verbunden sind.

16. Elektrisches Isolationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 14, wobei der Brennstoffzellenstapel zumindest einen nicht elektrisch leitfähigen Einlaßstutzen, der den Stapeleinlaß bildet, und wenigstens einen nicht leitfähigen Auslaßstutzen, der den Sta­ pelauslaß bildet, umfaßt und/oder wobei zumindest ein Teil jeder einzelnen mit dem Stapeleinlaß verbundenen ersten Kühlmittellei­ tung und ein Teil der mit dem Stapelauslaß verbundenen zweiten Kühlmittelleitung nicht elektrisch leitfähig sind.

17. Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellenstapels, der meh­ rere in Serie geschaltete Brennstoffzellen und einen Kühlkreislauf zur Kühlung der Brennstoffzellen während dem Betrieb unter Verwen­ dung eines flüssigen Kühlmittels mit einer begrenzten elektrischen Leitfähigkeit umfaßt, wobei der Brennstoffzellenstapel ein zugeord­ netes elektrisches Ausgangssystem, zumindest einen Ausgangsan­ schluß und ein Schütz zur Verbindung jedes einzelnen Ausgangsan­ schlusses mit dem elektrischen Ausgangssystem aufweist und einem Chassis zugeordnet ist, das eine Chassiserdung aufweist, wobei der Brennstoffzellenstapel mehrere Kühlpassagen für die Brennstoffzellen umfaßt, wobei die Kühlpassagen parallel und/oder in Serie geschaltet sind und wobei der Kühkreislauf einen Einlaß zur Zuführung des flüssigen Kühlmittels in den Stapel und in die Kühlpassagen, einen Auslaß zur Entfernung des flüssigen Kühlmittels aus dem Stapel nach Fließen durch die Kühlpassagen, einen Kühler, der als Wärme­ tauscher zur Kühlung des flüssigen Kühlmittels vorgesehen ist und der einen Einlaß und einen Auslaß aufweist, eine erste Kühlmittel­ leitung, die den Kühlerauslaß mit dem Brennstoffzellenstapeleinlaß verbindet, eine zweite Kühlmittelleitung, die den Stapelauslaß mit dem Kühlereinlaß verbindet, und eine Pumpe zur Zirkulation des flüssigen Kühlmittels in dem Kühlkreislauf umfaßt, wobei der Kühl­ kreislauf mehrere elektrisch leitfähige Komponenten umfaßt, bei­ spielsweise eine äußere Begrenzungswand des Brennstoffzellensta­ pels, den Kühler und/oder die Pumpe, wobei zumindest eine der elektrisch leitfähigen Komponenten mit der Chassiserdung verbun­ den ist, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, einen Widerstand zwischen einer ausgewählten Brennstoffzelle und dem Chassiserdung zu messen und zwischen dem gemessenen Widerstand und zumin­ dest einem Schwellwert direkt oder indirekt einen Vergleich durch­ zuführen und im Falle eines ungünstigen Vergleichs ein Warnsignal zu erzeugen und/oder ein beliebiges, den Ausgangsanschluß des Stapels mit dem elektrischen System verbindendes Schütz zu unter­ brechen und/oder den Brennstoffzellenstapel abzuschalten.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei ein Potentialunterschied zwi­ schen der ausgewählten Brennstoffzelle und der Chassiserdung ge­ messen wird und wobei eine Überwachungseinrichtung vorgesehen ist, die den gemessenen Widerstandswert und den gemessenen Po­ tentialunterschied empfängt und die einen Algorithmus enthält, um in Abhängigkeit von dem gemessenen Widerstandswert und dem ge­ messenen Potentialunterschied zu ermitteln, ob der Brennstoffzellen­ stapel zufriedenstellend arbeitet oder ob eine Fehlfunktion vorliegt, und die im Fall, daß der Vergleich ungünstig ist, ein Warnsignal aus­ gibt und/oder ein beliebiges Schütz unterbricht, die den Ausgangs­ anschluß des Stapels mit dem elektrischen System verbindet, und/oder den Brennstoffzellenstapel abschaltet.

19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Fehlfunktion eine der folgen­ den umfaßt:
ein unrichtiger Wert des gemessenen Widerstandes, der anzeigt, daß ein falsches Kühlmittel verwendet wurde,
ein unrichtiger Wert des gemessenen Widerstandes, der anzeigt, daß das Kühlmittel während dem Gebrauch verdorben ist,
ein unrichtiger Wert des gemessenen Widerstandes in Verbin­ dung mit einem unrichtigen Wert des gemessenen Potentialun­ terschiedes und/oder eines aus dem gemessenen Widerstand und dem gemessenen Potentialunterschied errechneten Strom­ wertes, der anzeigt, daß der Brennstoffzellenstapel Schaden ge­ nommen hat, daß zum Beispiel ein teilweiser Erdschlußfehler vorliegt, beispielsweise in einer der Brennstoffzellen oder in einer anderen Komponente, oder in einer externen, mit dem Brenn­ stoffzellenstapel elektrisch verbundenen Schaltung,
ein unrichtiger Wert des gemessenen Widerstandes, der anzeigt, daß zumindest eine Verbindung zur Chassiserdung fehlerhaft oder nicht richtig verbunden ist,
eine Veränderung im gemessenen Widerstand in Verbindung mit einer Veränderung im gemessenen Potentialunterschied
und/oder eines aus dem gemessenen Widerstand und dem ge­ messenen Potentialunterschied errechneten Stromwertes, die ei­ ne Veränderung in der Geometrie der Kühlmittelpassage anzeigt, beispielsweise aufgrund eines Unfalls oder eines verknickten Schlauches,
eine Veränderung im gemessenen Widerstand in Kombination mit einer Veränderung im gemessenen Potentialunterschied und/oder eines aus dem gemessenen Widerstand und dem ge­ messenen Potentialunterschied errechneten Stromwertes, die ein Versagen der Erdung anzeigt,
eine Veränderung im gemessenen Widerstand in Kombination mit einer Veränderung im gemessenen Potentialunterschied und/oder eines aus dem gemessenen Widerstand und dem ge­ messenen Potentialunterschied errechneten Stromwertes, die anzeigt, daß in einem Teil des elektrischen Systems der Brenn­ stoffzelle ein Erdschlußfehler aufgetreten ist oder daß eine Ver­ bindung mit unbeabsichtigt hohem Widerstand einer mit der Brennstoffzelle verbundenen elektrischen Schaltung aufgetreten ist, beispielsweise aufgrund der Präsenz eines fremden Objekts, beispielsweise einem Werkzeug, das fälschlicherweise in die Um­ gebung des Brennstoffzellenstapels gebracht oder in dieser lie­ gen gelassen wurde,
eine Veränderung im gemessenen Widerstand in Verbindung mit einer Veränderung im gemessenen Potentialunterschied und/oder eines aus dem gemessenen Widerstand und dem ge­ messenen Potentialunterschied errechneten Stromwertes, die aufgrund eines elektrischen Kontaktes zwischen dem Kühlmittel und einer elektrisch geerdeten metallischen Schlauchkompo­ nente aufgrund eines Lecks anzeigt, daß beispielsweise ein flexi­ bler Schlauch versagt hat.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19 einschließlich des weiteren Schritts, in Reaktion auf das Warnsignal eine Warn­ einrichtung zu aktivieren.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20 einschließlich des weiteren Schritts, in Reaktion auf das Warnsignal eine Anzeige zu aktivieren, um die Ursache des ungünstigen Vergleichs betreffende Informationen anzuzeigen.