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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verbindungssystem zum Anschluss von mehreren Separatorplatten eines Brennstoffzellensystems an mindestens ein Zellüberwachungssystem. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie ein Zellüberwachungssystem mit dem hier offenbarten Verbindungssystem. Einleitung
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Systeme zur Zellüberwachung (en. cell voltage monitoring system bzw. CVM-System) sind bereits bekannt. Ein CVM-System überwacht i.d.R. die elektrischen Parameter der Einzelzellen und des gesamten Brennstoffzellenstacks. Beispielsweise sind solche CVM-Systeme offenbart in den Druckschriften
WO 2007 102031 A1 und
WO 2005 069026 A1 .
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Sofern ein System zur Zellüberwachung mehrere Module zur Zellüberwachung umfasst, benötigt jedes Modul das Potenzial der letzten Bipolarplatte des benachbarten Moduls um die Zellspannung jeder Zelle differenziell messen zu können.
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Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Information über das Potential benachbarter Module zu übertragen, ohne dass dabei die Herstellungskosten gesteigert, der Bauraum vergrößert und/oder die Performance des Zellüberwachungssystems verschlechtert wird. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verbindungssystem zum Anschluss von mehreren Separatorplatten eines Brennstoffsystems an mindestens ein Zellüberwachungssystem.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft insofern auch ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst. Die Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems umfassen i.d.R. zwei Separatorplatten. Der ionenselektive Separator einer Brennstoffzelle ist i.d.R. jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet.
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Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator die Anode aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem inonenselektiven Separator die Kathode aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff bzw. für Oxidationsmittel vorgesehen. Die Separatorplatten können als Monopolarplatten und/oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Mit anderen Worten weist eine Separatorplatte zweckmäßig zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator eine Anode ausbildet und die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator einer benachbarten Brennstoffzelle eine Kathode.
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Das Brennstoffzellensystem kann ein Zellüberwachungssystem umfassen. Das Zellüberwachungssystem (en.: cell voltage monitoring system bzw. CVM-System) kann ausgebildet sein, den Zustand von mindestens einer Zelle zu überwachen. I.d.R. überwacht es den Zustand von einer Vielzahl an Brennstoffzellen. Überwachen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das System direkt oder indirekt den Zustand der überwachten Zellen bestimmen kann. Vorteilhaft kann somit eine auftretende Degradation bzw. ein Zellausfall frühzeitig erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Es kann dadurch eventuell die Lebensdauer in einem gewissen Rahmen erhöht werden und/oder durch geeignete Gegenmaßnahmen die Performance der Zellgesamtheit gesteigert werden.
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Vorteilhaft kann mindestens eine Messgröße direkt oder indirekt erfasst werden. Die Messgröße kann insbesondere die elektrische Spannung der überwachten Zelle sein. Vorteilhaft werden die Einzelzellspannungen von mehreren bzw. allen Zellen sowie die Gesamtspannung ermittelt. Bevorzugt wird ferner der durch den Brennstoffzellenstack fließende Strom bestimmt.
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Aus den gemessenen Spannungen kann das CVM-System beispielsweise einen der folgenden Werte bestimmen: Min-, Max- und Mittelwert der Einzelzellspannung.
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Bevorzugt umfasst das Zellüberwachungssystem mindestens ein Zellüberwachungsmodul (FCSC). Das Zellüberwachungsmodul kann beispielsweise einen Analog-Digital Wandler umfassen, der ein analoges Signal einer Brennstoffzelle in ein digitales Signal umwandelt. Z.B. kann als analoges Eingangssignal die Spannung erfasst werden, die in ein digitales Signal, z.B. ein 12-Bit Signal konvertiert wird. Vorteilhaft kann das Modul mindestens einen Multiplexer umfassen. Der Multiplexer kann ausgebildet sein, die Messsignale der einzelnen Brennstoffzellen einer Zellgruppe zu erfassen und diese analogen Signale dann dem Analog-Digital-Wandler zu senden. Eine solche Einheit kann beispielsweise als Analog Digital Converter Modul (ADC-Modul) bezeichnet werden. Im Falle einer Brennstoffzelle kann man auch von einem Fuel Cell Supervisory Circuit (FCSC) sprechen. Bevorzugt kann das Zellüberwachungsmodul weitere Analysefunktionalitäten des Zellüberwachungssystems umfassen, insbesondere durch Betrachtung von Differenzspannungen unmittelbar benachbarter Separatoren.
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Das hier offenbarte Zellüberwachungssystem umfasst vorteilhaft auch das hier offenbarte Verbindungssystem.
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Das hier offenbarte Verbindungssystem umfasst mindestens zwei Verbindungselemente. Die Verbindungselemente können auch als Verbindungsstecker bezeichnet werden, die eine Verbindung zwischen Komponenten des Zellüberwachungssystems und den Separatorplatten des Brennstoffzellensystems herstellen. Nachstehend ist vereinfachend vom Verbindungselement die Rede, wobei der Begriff zeitgleich einen Verbindungsstecker mit umfassen soll. Jedes Verbindungssystem weist mindestens zwei Kontaktreihen auf. Jede Kontaktreihe verfügt über mehrere Kontaktelemente. Die Kontaktelemente sind ausgebildet, zu den Separatorplatten des Brennstoffzellensystems einen elektrischen Kontakt herzustellen. Hierzu können bspw. vorbekannte elastische Klemmen eingesetzt werden, die jeweils über zwei elastische Klemmarme verfügen, zwischen denen eine Separatorplatte elektrisch kontaktierend einklemmbar ist.
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Die Verbindungselemente sind derart ausgebildet und anordenbar, dass im montierten Zustand der Verbindungselemente auf den Brennstoffzellenstapel bzw. auf den mehreren Separatorplatten mindestens eine Separatorplatte jeweils mit zwei unmittelbar benachbarten Verbindungselementen verbindbar ist.
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Ferner sind die Verbindungselemente gleichzeitig derart ausgebildet und anordnenbar, dass die einzelnen Verbindungselemente der mehreren Verbindungselemente von den mehreren Separatorplatten demontierbar sind, ohne dass unmittelbar benachbarte Verbindungselemente demontiert werden müssen.
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Die Verbindungselemente sind derart ausgebildet, dass sie in einer Richtung senkrecht zum Rand der Separatorplatte auf die Separatorplatte aufschiebbar bzw. aufschwenkbar ausgebildet sind. Diese Aufsteckrichtung senkrecht zum Rand der Separatorplatte und parallel zur Separatorplattenebene wird nachstehend als X-Richtung bezeichnet. Die Brennstoffzellenstapellängsachse A-A, also die Richtung, in die die Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels übereinandergestapelt werden, wird nachstehend auch als Z-Richtung bezeichnet. Die Richtung senkrecht zur x-Richtung und Z-Richtung wird hier als Y-Richtung bezeichnet. Mit anderen Worten ist die Y-Richtung die Richtung entlang des Rands der Separatorplatte.
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Die Verbindungselemente sind derart ausgebildet, dass sie in einer Verbindungselementenreihe anordenbar sind, wobei gleichzeitig mindestens eine Separatorplatte jeweils mit zwei unmittelbar benachbarten Verbindungselementen verbindbar ist. Eine Verbindungselementenreihe ist eine Reihe an hintereinander angeordneten Verbindungselementen, die in Z-Richtung gesehen zweckmäßig miteinander fluchtend angeordnet sind. Die Verbindungselemente der Verbindungselementenreihe können aber auch leicht überlappend bzw. leicht lateral versetzt nebeneinander angeordnet sein, sodass sie in Z-Richtung gesehen nicht ganz fluchten. Nicht als eine Verbindungselementenreihe anzusehen ist indes eine Ausgestaltung, bei der die Verbindungselemente in zwei getrennten Reihen angeordnet sind, die nicht zumindest teilweise überlappend angeordnet sind. Die hier offenbarte Ausgestaltung mit einer Verbindungselementenreihe weist den Vorteil auf, dass sich mit ihr ein besonders kompakter Aufbau realisieren lässt.
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Als Kontaktreihe sind die Kontaktelemente eines Verbindungselements anzusehen, die wiederum hintereinander fluchtend in Z-Richtung gesehen angeordnet sind, wobei jedes Kontaktelement einer Kontaktreihe dazu ausgebildet ist, eine andere Separatorplatte zu kontaktieren. Bevorzugt sind die Kontaktreihen eines Verbindungselementes in Y-Richtung lateral versetzt und insbesondere nicht ineinandergreifend angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass trotz des relativ engen Abstands der einzelnen Separatorplatten vergleichsweise viel Bauraum zur Verfügung steht, um die einzelnen Kontaktelemente auszubilden.
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Die äußeren Kontaktelemente von unmittelbar benachbarten Verbindungselementen, die jeweils mit derselben Separatorplatte verbindbar sind, sind in Y-Richtung gesehen miteinander fluchtend angeordnet. Diese fluchtende Anordnung der äußeren Kontaktelemente ermöglicht es, planare Separatorplatten einzusetzen, die sich vergleichsweise einfach herstellen lassen. Ferner kann somit der Bauraum besser ausgenutzt werden. Die äußeren Kontaktelemente eines Verbindungselementes sind dabei diejenigen Kontaktelemente, die im Verbindungselement in Z-Richtung gesehen am weitesten außen liegen. Mit anderen Worten sind es diejenigen Kontaktelemente, die die äußersten Separatorplatten kontaktieren, die noch von einem Verbindungselemente umfasst sind. Die äußeren Kontaktelemente von unmittelbar benachbarten Verbindungselementen, die mit derselben Separatorplatte verbindbar sind, gehören bevorzugt zu unterschiedlichen Kontaktreihen. Unterschiedliche Kontaktreihen sind dabei Kontaktreihen, die in Y-Richtung versetzt zueinander angeordnet sind.
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Die Kontaktelemente eines Verbindungselementes, die unmittelbar benachbarte Separatorplatten kontaktieren, können insbesondere jeweils Kontaktelemente von unterschiedlichen Kontaktreihen sein. Besonders bevorzugt umfasst das Verbindungselement zwei Kontaktreihen, wobei in Z-Richtung gesehen immer abwechselnd ein Kontaktelement zur ersten Kontaktreihe oder zur zweiten Kontaktreihe zugehörig ist.
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Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie eine Separatorplatte, bevorzugt eine Bipolarplatte, die im Übergangsbereich aufgrund der Steckergeometrie die Möglichkeit aufweist, dass diese Bipolarplatte doppelt kontaktiert wird. Einmal wird die Bipolarplatte mittels eines ersten Steckers für ein erstes Zellüberwachungsmodul kontaktiert und ein zweites Mal über einen zweiten Stecker für ein zweites Zellüberwachungsmodul. Abhängig von den Abmessungen, dem Platzbedarf sowie den Toleranzen kann die Anzahl der Kontaktreihen sowie die Anordnung der Kontaktierungselemente angepasst werden. Die Anzahl an Kontaktreihen beträgt bevorzugt 2 bis 4. Die Anzahl an Separatorplatten, die mittels eines Verbindungselementes kontaktiert wird, kann bevorzugt 10 bis 40 Separatorplatten umfassen.
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Durch die hier offenbarte Technologie ist es möglich, platzsparend und kostengünstig ein modulares Zellüberwachungssystem zu realisieren. Es muss keine zusätzliche Verdrahtung vorgenommen werden.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen 1 erläutert.
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In der 1 sind schematisch drei Verbindungselemente 100a, 100b, 100c dargestellt. Die Verbindungselemente 100a, 100b, 100c sind hier im aufgesteckten Zustand dargestellt, also nachdem sie durch Aufstecken (in X-Richtung in die Zeichenebene hinein) auf die Separatorplatten Si befestigt wurden. Jedes dieser Verbindungselemente umfasst zwei Kontaktreihen KR1, KR2, die jeweils in dem Gehäuse 110a, 110b, 110c der Verbindungselemente 100a, 100b, 100c angeordnet sind. Die Kontaktreihen KR1, KR2 sind im Gehäuse in Y-Richtung nebeneinander liegend und in Z-Richtung leicht versetzt angeordnet. Auch die Gehäuse 110a, 110b, 110c der Verbindungselemente 100a, 100b, 100c weisen in Y-Richtung verlaufend einen Versatz in Z-Richtung auf. Der Versatz im Gehäuse ist dabei so gewählt, dass das äußere Kontaktelement K21 des ersten Verbindungselementes 100a dieselbe Separatorplatte S1 kontaktieren kann wie das äußere Kontaktelement K11 des unmittelbar benachbarten Verbindungselementes 100b. Die äußeren Kontaktelemente K11, K21 sind hier in Y-Richtung gesehen miteinander fluchtend angeordnet. Die Gehäuse 110a, 110b, 110c der Verbindungselemente 100a, 100b, 100c sind in Y-Richtung überlappend angeordnet. Vereinfachend wurden hier lediglich die Bezugszeichen der Separatorplatten S1 bis S6 angeführt, die vom mittleren Verbindungselement 100b kontaktiert werden. Die anderen Separatorplatten Si wurden nicht separat bezeichnet.
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Die Verbindungselemente 100a, 100b, 100c sind hier in einer Verbindungselementenreihe VR angeordnet. Dabei sind die Verbindungselemente 100a, 100b, 100c in Z-Richtung gesehen miteinander fluchtend angeordnet. Mit anderen Worten steht keiner der äußeren Ränder der Gehäuse 110a, 110b, 110c der Verbindungselemente 100a, 100b, 100c in Y-Richtung gesehen mit Bezug auf den anderen Verbindungselementen im Wesentlichen vor. Somit lässt sich ein besonders kompakter Aufbau erzielen. Hier nicht gezeigt ist die Anbindung der Verbindungselemente an ein Zellüberwachungssystem. Solche elektrischen Verbindungen sind jedoch allgemein bekannt und können bspw. über mehrere elektrische Kabel oder einen Flexleiter realisiert sein.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2007102031 A1 [0002]
- WO 2005069026 A1 [0002]
