DE102019214268A1

DE102019214268A1 - Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102019214268A1
Application number: DE102019214268.0A
Authority: DE
Inventors: Sriganesh Sriram
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-09-19
Filing date: 2019-09-19
Publication date: 2021-03-25
Also published as: WO2021052659A1

Abstract

Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend übereinander angeordnete Brennstoffzellen, eine Überwachungseinheit (37) als Recheneinheit zur Überwachung von wenigstens einem Parameter der Brennstoffzellen, wenigstens eine Datenübertragungsvorrichtung (38) zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters von den Brennstoffzellen zu der Überwachungseinheit (37), wobei die Brennstoffzelleneinheit (1) mehrere Zusatzüberwachungseinheiten (42) als Recheneinheiten zur Überwachung von wenigstens einem Parameter der Brennstoffzellen und wenigstens eine Datenübertragungsvorrichtung (38) zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters von den Brennstoffzellen zu den Zusatzüberwachungseinheiten (42) umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Überwachung von wenigstens einem Parameter einer Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 10.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen übereinander in einem Stapel als Stack angeordnet.
Für einen ordnungsgemäßen und zuverlässigen Betrieb der Brennstoffzelleneinheiten ist es notwendig, wenigstens einen Parameter der Brennstoffzellen, beispielsweise die Spannung und die Feuchtigkeit der Brennstoffzellen, zu überwachen. Die Feuchtigkeit wird beispielweise mit der Impedanz als weiteren Parameter mittelbar bestimmt. Bei der Überwachung beispielsweise der Spannung wird die anliegende Spannung mittels Stromleitungen zu einer zentralen Überwachungseinheit als Fuel Cell Control Unit übertragen, so dass die Daten für den Parameter der Spannung die Spannung des in Stromkabeln geleiteten Stromes selbst ist. Eine Brennstoffzelleneinheit mit 400 übereinander angeordneten Brennstoffzellen umfasst 401 Bipolarplatten und bei einer getrennten Überwachung jeder einzelnen Brennstoffzelle hinsichtlich des Parameters der Spannung ist es somit notwendig, 401 Stromleitungen von dem Stapel der Brennstoffzellen zu der Überwachungseinheit zu führen. Dies erfordert somit einen großen Kabelbaum, der in nachteiliger Weise viel Bauraum benötigt. Die große Masse des Kabelbaumes ist in mobilen Anwendungen, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, mit erheblichen Nachteilen verbunden. Der Kabelbaum ist auch teuer in der Herstellung.
Die DE 102 18 672 A1 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung des von einem Brennstoffzellensystems für eine angeforderte, elektrische Abgabeleistung zu erzeugenden Stroms, wobei jeweils bei einer angeforderten Änderung der vom Brennstoffzellensystem abzugebenden Leistung in einem Strom-Spannungs-Bestimmungsschritt aus dem Quotienten des Werts der angeforderten Leistung und dem zum Zeitpunkt der angeforderten Leistung am Brennstoffzellenausgang gemessenen Spannungswert ein Stromwert berechnet und dem Brennstoffzellensystem zur Einstellung der Leistung zugeführt wird.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend übereinander angeordnete Brennstoffzellen, eine Überwachungseinheit als Recheneinheit zur Überwachung von wenigstens einem Parameter der Brennstoffzellen, wenigstens eine Datenübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters von den Brennstoffzellen zu der Überwachungseinheit, wobei die Brennstoffzelleneinheit mehrere Zusatzüberwachungseinheiten als Recheneinheiten zur Überwachung von wenigstens einem Parameter der Brennstoffzellen und wenigstens eine Datenübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters von den Brennstoffzellen zu den Zusatzüberwachungseinheiten umfasst. Die Überwachung der Brennstoffzellen, d. h. das Prüfen ob wenigstens ein Parameter in einem zulässigen oder nicht zulässigen Bereich liegt, wird somit in zwei verschiedenen Überwachungsebenen ausgeführt, nämlich einer obersten Ebene in der Überwachungseinheit als Master-Überwachungseinheit und in den untergeordneten Zusatzüberwachungseinheiten als Sub-Zusatzüberwachungseinheiten. In den Zusatzüberwachungseinheiten werden die Daten zu Überwachungsdaten verarbeitet. Die Überwachungsdaten sind beispielsweise Fehlermeldungen zu einzelnen Brennstoffzellen, so dass in der Überwachungseinheit nur noch eine geringe Datenmenge verarbeitet werden muss und außerdem nur eine geringe Datenmenge von den Zusatzüberwachungseinheiten zu der Überwachungseinheit übertragen werden muss.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Zusatzüberwachungseinheiten an der wenigstens einen Datenübertragungsvorrichtung hinsichtlich der Richtung der Datenübertragung zwischen den Brennstoffzellen und der Überwachungseinheit angeordnet, so dass die Daten von den Brennstoffzellen zu den Zusatzüberwachungseinheiten übertragbar sind und Daten, insbesondere Überwachungsdaten, von den Zusatzüberwachungseinheiten zu der Überwachungseinheit übertragbar sind.
In einer ergänzenden Variante sind die von den Brennstoffzellen zu den Zusatzüberwachungseinheiten übertragenen Daten in den Zusatzüberwachungseinheiten zu Überwachungsdaten verarbeitbar.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Zusatzdatenübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Daten, insbesondere Überwachungsdaten, zwischen den Zusatzüberwachu ngsei nheiten.
Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens einen Generator zur Erzeugung eines Überwachungssignales und mit der wenigstens einen Datenübertragungsvorrichtung ist das Überwachungssignal von dem wenigstens einen Generator zu wenigstens einer Brennstoffzelle übertragbar zur Beaufschlagung der wenigstens einen Brennstoffzelle mit dem Überwachungssignal.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist einer Zusatzüberwachungseinheit je ein Generator zugeordnet und der der Zusatzüberwachungseinheit zugeordnete Generator ist von der Zusatzüberwachungseinheit steuerbar und/oder regelbar und die wenigstens eine von der Zusatzüberwachungseinheit überwachte Brennstoffzelle ist identisch zu der wenigstens einen Brennstoffzelle, welche von dem zugeordneten je einen Generator mit dem Überwachungssignal beaufschlagbar ist. Das Überwachungssignal dient zur Erfassung eines Parameters, insbesondere der Impedanz, der Brennstoffzellen.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist die wenigstens eine Zusatzüberwachungseinheit als ein Mikrocontroller oder ein Mikroprozessor ausgebildet.
In einer weiteren Variante ist die wenigstens eine Datenübertragungsvorrichtung als wenigstens ein Stromkabel und/oder als wenigstens eine CAN-Schnittstelle und/oder wenigstens eine LIN-Schnittstelle und/oder wenigstens ein Funkübertragungsmittel ausgebildet. Das Funkübertragungsmittel überträgt die Daten mittels Funk, beispielsweise mit WLAN oder Bluetooth.
Zweckmäßig ist mit der in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Brennstoffzelleneinheit ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar.
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Überwachung von wenigstens einem Parameter einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend übereinander angeordnete Brennstoffzellen, mit den Schritten: Übertragen von Daten hinsichtlich wenigstens eines Parameters der Brennstoffzellen zu einer Überwachungseinheit als Recheneinheit mit wenigstens einer Datenübertragungsvorrichtung, Verarbeiten der übertragenen Daten in der Überwachungseinheit zur Überwachung der Brennstoffzellen, wobei die Daten der Brennstoffzellen zu Zusatzüberwachungseinheiten übertragen werden, die Daten in den Zusatzüberwachungseinheiten zu Überwachungsdaten als Daten verarbeitet werden und die Überwachungsdaten von den Zusatzüberwachungseinheiten zu der Überwachungseinheit übertragen werden.
In einer weiteren Ausgestaltung werden die Daten wenigstens einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Gruppe der Brennstoffzellen, zu je einer zugeordneten Zusatzüberwachungseinheit übertragen, so dass ausschließlich die wenigstens eine Brennstoffzelle, insbesondere ausschließlich die Gruppe der Brennstoffzellen, von je einer Zusatzüberwachungseinheit überwacht wird.
In einer zusätzlichen Variante werden die von den Brennstoffzellen, insbesondere sämtlichen Brennstoffzellen, zu der Überwachungseinheit übertragenen Daten im Wesentlichen, insbesondere ausschließlich, mittelbar als in den Zusatzüberwachungseinheiten verarbeitete Daten als Überwachungsdaten zu der Überwachungseinheit übertragen.
Zweckmäßig werden Daten zwischen den Zusatzüberwachungseinheiten übertragen. Die Überwachung der Brennstoffzelleneinheiten kann damit weiter verbessert werden, weil damit auch die Daten, insbesondere Überwachungsdaten, mehreren oder sämtlichen Zusatzüberwachungseinheiten zur Verbesserung und Optimierung der Überwachung an je einer Zusatzüberwachungseinheit verwendet werden können, d. h. eine Zusatzüberwachungseinheit kann auch Daten wenigstens einer anderen Zusatzüberwachungseinheit verwenden für die Überwachung.
In einer weiteren Ausgestaltung wird mit wenigstens einem Generator ein Überwachungssignal, insbesondere ein Wechselstrom, erzeugt und das Überwachungssignal von dem wenigstens einen Generator zu wenigstens einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Gruppe von Brennstoffzellen, übertragen, so dass vorzugsweise die Impedanz der wenigstens einen Brennstoffzelle bestimmt wird.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist der wenigstens eine Parameter die elektrische Spannung und/oder die Impedanz wenigstens einer überwachten Brennstoffzelle, insbesondere einer Gruppe von überwachten Brennstoffzellen.
In einer ergänzenden Variante wird das in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Verfahren zur Überwachung von wenigstens einem Parameter einer Brennstoffzelleneinheit mit einer in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Brennstoffzelleneinheit ausgeführt.
In einer weiteren Variante werden Daten von der Überwachungseinheit zu wenigstens einer Zusatzüberwachungseinheit, insbesondere zu sämtlichen Zusatzüberwachungseinheiten, übertragen. Die Daten können beispielsweise Bereiche für zulässige und nicht zulässige Bereiche von Parametern sein, so dass damit von der Überwachungseinheit zentral für die Zusatzüberwachungseinheit die zulässigen und nicht zulässigen Bereiche verändert werden können, insbesondere während des Betriebes hinsichtlich des Betriebes optimiert werden können, z. B. in Abhängigkeit von der abzugebenden elektrischen Leistung als einem Betriebsparameter der Brennstoffzelleneinheit.
Zweckmäßig wird während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit in den Zusatzüberwachungseinheiten der zulässige und/oder unzulässige Bereich wenigstens eines überwachten Parameters in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Brennstoffzelleneinheit verändert.
In einer ergänzenden Variante wird der Betrieb der Brennstoffzelleneinheit in Abhängigkeit von den in der Überwachungseinheit und/oder der wenigstens einen Zusatzüberwachungseinheit verarbeiteten Daten gesteuert und/oder geregelt. Für den Betrieb werden vorzugsweise der Volumenstrom des zugeführten Brennstoffes und/oder der Volumenstrom des zugeführten Oxidationsmittels und/oder der Volumenstrom des zugeführten Wassers zur Veränderung der Feuchtigkeit in dem zugeführten Brennstoff und/oder in dem zugeführten Oxidationsmittel und/oder der Volumenstrom des Kühlmittels und/oder die Eingangstemperatur des Kühlmittels gesteuert und/oder geregelt.
In einer zusätzlichen Variante wird von der Überwachungseinheit der Betrieb der Brennstoffzelleneinheit gesteuert und/oder geregelt, so dass die Überwachungseinheit eine Steuer- und/oder Regeleinheit für die Brennstoffzelleneinheit bildet.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Verfahren zur Überwachung von wenigstens einem Parameter einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit ausgeführt.
Vorzugweise wird während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit Brennstoff zu den Anoden und ein Oxidationsmittel zu den Kathoden der Brennstoffzellen geleitet, so dass von den Brennstoffzellen elektrische Energie während des Betriebes erzeugt wird.
In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit mehrere Zusatzüberwachungseinheiten als Recheneinheiten zur Überwachung von wenigstens einem Parameter von Gruppen der Brennstoffzellen. Einer Zusatzüberwachungseinheit ist je eine Gruppe der Brennstoffzellen zugeordnet.
In einer weiteren Variante ist die wenigstens eine Zusatzüberwachungseinheit an wenigstens einer Brennstoffzelle befestigt. Die wenigstens eine Zusatzüberwachungseinrichtung ist mit einem Befestigungsmittel mittelbar oder unmittelbar an wenigstens einer Brennstoffzelle befestigt, insbesondere mit einem Abstand von weniger als 7 cm, 5 cm, 3 cm, 2 cm oder 1 cm zu der wenigstens einen Brennstoffzelle und/oder wenigstens einer Komponente der Brennstoffzelle. Auch bei einer Anordnung einer großen Anzahl an Zusatzüberwachungseinheiten an der Brennstoffzelleneinheit ist diese kompakt aufgebaut.
In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.
Zweckmäßig sind Komponenten für Brennstoffzellen Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten.
In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die Brennstoffzellen jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse oder ein Kompressor ausgebildet.
Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen.
Insbesondere ist die Anzahl der Brennstoffzellen in der Gruppe kleiner als 50%, 30%, 20%, 10% oder 5% der Anzahl sämtlicher Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit.
In einer weiteren Ausgestaltung wird von je einer Zusatzüberwachungseinrichtung ausschließlich eine Gruppe von Brennstoffzellen überwacht und/oder ist überwachbar.
Die Erfindung umfasst ferner ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
Bestandteil der Erfindung ist außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
Figurenliste
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,
3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,
4 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel, d. h. einen Brennstoffzellenstack,
5 einen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit gemäß 4 und
6 einen Schnitt durch einen Teil der Brennstoffzelleneinheit mit Überwachungseinheit und Zusatzüberwachungseinheiten.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- --» 2 H₂O
Anode: 2H₂ --» 4 H⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2H₂ + O₂ --» 2H₂O

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 1 von mehreren übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und den Elektroden 6, 7 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Array, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 6, 7 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 6, 7 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nafion®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Grafit eingesetzt.
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 übereinander angeordnet (4). In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und können konstruktiv tatsächlich unterschiedlich ausgebildet sein, beispielsweise als Bohrungen in einem Rahmen (nicht dargestellt) oder als fluchtende Bohrungen am Endbereich (nicht dargestellt) aufeinander liegender Bipolarplatten 10. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 300 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 39 als Bolzen 53 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 53 sind mit den Spanplatten 34 fest verbunden.
In 6 ist stark vereinfacht ein Teil der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt und es sind lediglich die Bipolarplatten 10 abgebildet. Die übrigen Komponenten der Brennstoffzellen 2 zwischen den Bipolarplatten 10 sind in 6 nicht dargestellt. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst 400 Brennstoffzellen 2 von denen in 6 nur ein kleiner Teil der Brennstoffzellen 2 dargestellt sind. Einer Gruppe 49 der Brennstoffzellen 2 ist je eine Zusatzüberwachungseinheit 42, insbesondere ein Mikrocontroller 43 oder ein Mikroprozessor 44, zugeordnet. In 6 sind vier obere Gruppen 49 mit je 4 zugeordneten Brennstoffzellen 2 und ein unterste Gruppe 49 mit je 5 zugeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Aus zeichnerischen Gründen sind in 6 somit je einer Zusatzüberwachungseinheit 42 nur eine geringe Anzahl an Brennstoffzellen 2, d.h. der Gruppe 49 als einem Teil sämtlicher Brennstoffzellen 2, zugeordnet. Tatsächlich sind je einer Zusatzüberwachungseinheit 42 zehn Brennstoffzellen 2 zugeordnet, so dass bei 400 Brennstoffzellen 2 die Brennstoffzelleneinheit 1 vierzig Zusatzüberwachungseinheiten 42 umfasst. Bei den in 6 dargestellten vier oberen Gruppen 49 mit je 4 zugeordneten Brennstoffzellen 2 sind zu jeder Bipolarplatte 10 der Brennstoffzellen 2 der Gruppe 49 je einem Stromkabel 45 als eine Datenübertragungsvorrichtung 38 geführt, so dass für jede Brennstoffzelle 2 getrennt die Daten von den Bipolarplatten 10 zu der Zusatzüberwachungseinheit 42 geleitet werden können, d. h. es wird für jede Brennstoffzelle 2 getrennt ein Parameter erfasst. Bei der in 6 dargestellten untersten Gruppe 49 mit 5 zugeordneten Brennstoffzellen 2 sind nur die oberste und unterste Bipolarplatte 10 der Gruppe 49 mit je ein Stromkabel 45 als eine Datenübertragungsvorrichtung 38 verbunden, so dass für die 5 zugeordneten Brennstoffzellen 2 zusammen die Daten zu der Zusatzüberwachungseinheit 42 geleitet werden können, d. h. es kann für die fünf Brennstoffzellen 2 nur die Summe eines Parameters erfasst werden.
Als Parameter wird beispielsweise die Spannung der Brennstoffzellen 2 erfasst. Bei den vier obersten Gruppen 49 wird die Spannung jeder einzelnen Brennstoffzelle 2 erfasst indem die Spannungsdifferenz als Daten zu dem Parameter der Spannung an den Bipolarplatten 10 mit den Stromkabeln 45 zu der Zusatzüberwachungseinheit 42 geleitet wird und in der Zusatzüberwachungseinheit 42 mit einem nicht dargestellten und integrierten Spannungsmesser erfasst wird. Bei dem untersten Gruppen 49 wird die Spannung als die Summe der Spannungen in den 5 Brennstoffzellen 2 mit den zwei Stromkabeln 45 der Zusatzüberwachungseinheit 42 zugeführt.
Als weiterer Parameter wird die Impedanz der Brennstoffzellen 2 erfasst und überwacht. Hierzu ist jeder Zusatzüberwachungseinheit 42 ein Generator 50 zur Erzeugung eines Wechselstromes mit einer Frequenz zwischen 0 und 10 kHz zugeordnet. Der Generator 50 ist vorzugsweise als ein MOSFET 51 oder IGBT 52 ausgebildet. Die Impedanz wird bei den vier oberen Gruppen 49 getrennt für jede Brennstoffzelle 2 mit der Zusatzüberwachungseinrichtung 42 bestimmt und bei der untersten Gruppe 49 für sämtliche Brennstoffzellen 2 in dieser untersten Gruppe 49, d. h. die durchschnittliche Impedanz der 5 Brennstoffzellen 2 in der untersten Gruppe 49. Aus der Impedanz kann die Feuchtigkeit oder der Wassergehalt in den Brennstoffzellen 2, insbesondere der Protonenaustauschermembran 5, bestimmt werden. Je größer die Impedanz ist, desto kleiner ist die Feuchtigkeit oder der Wassergehalt.
Die Zusatzüberwachungseinheiten 42 sind mit Datenübertragungsvorrichtungen 38 mit einer zentralen Überwachungseinheit 37 als eine Fuel Cell Control Unit 37 (FCCU) verbunden, so dass Daten von den Zusatzüberwachungseinheiten 42 zu der Überwachungseinheit 37 geleitet werden können und umgekehrt. Die Datenübertragungsvorrichtung 38 ist beispielsweise als Stromkabel 45, CAN-Schnittstelle 46, LIN-Schnittstelle 47 oder Funkübertragungsmittel 48 ausgebildet. In den Zusatzüberwachungseinheiten 42 werden die Daten der überwachten Parameter der Spannung und der Impedanz verarbeitet und vorzugsweise gespeichert. Beispielsweise wird geprüft, ob die Parameter innerhalb zulässiger Bereiche liegen und nur bei Abweichungen bzw. Fehlern erfolgt eine Meldung als Datensignal von der Zusatzüberwachungseinheit 42 zu der Überwachungseinheit 37. Hierzu sind in nicht dargestellten Datenspeichern in den Zusatzüberwachungseinheiten 42 Daten zu den zulässigen Bereichen für die Parameter gespeichert und diese werden mit den zu den Zusatzüberwachungseinheiten 42 geleiteten Daten verglichen. Bei unzulässigen erfassten Parametern wird dies von den Zusatzüberwachungseinheiten 42 an die Überwachungseinheit 37 übermittelt. Die Überwachungseinheit steuert und regelt die Brennstoffzelleneinheit 1. Treten bei einzelnen Brennstoffzellen 2 unzulässige Parameter auf, kann die Überwachungseinheit 37, die somit auch eine Steuer- und/oder Regeleinheit 37 für die Brennstoffzelleneinheit 1 bildet, Maßnahmen einleiten um den Parameter wieder in einen zulässigen Bereich zu verändern. Bei einer zu kleinen Feuchtigkeit in der Protonenaustauschermembran 5 kann beispielsweise die Feuchtigkeit erhöht werden indem der Luft als dem Oxidationsmittel an dem Gebläse 23 zerstäubtes Wasser zugegeben wird mit einer nicht dargestellten Zerstäubungsvorrichtung. Weitere mögliche Maßnahmen sind die Reduzierung Leistung und das Abschalten der Brennstoffzelleneinheit 1.
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung von wenigstens einem Parameter einer Brennstoffzelleneinheit 1 wesentliche Vorteile verbunden. Zur Datenübertragung von den 400 Brennstoffzellen 2 zu der zentralen Überwachungseinheit 37 ist es nicht notwendig, für jede zu überwachende Brennstoffzelle 2 oder Gruppe 49 von Brennstoffzellen 2 Stromkabel 45 zu der Überwachungseinheit 37 zu führen, d. h. ein entsprechend großer Kabelbaum kann vermieden werden. Die Verarbeitung der Daten zu den Parametern erfolgt dezentral in den Zusatzüberwachungseinheiten 42 und lediglich die vollumfängliche Überwachung für sämtliche Brennstoffzellen 2 wird in der Überwachungseinheit 37 mit einem Prozessor 40 und einem Datenspeicher 41 ausgeführt, so dass die notwendige Rechenleistung und die Kapazität des Datenspeichers 41 gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert ist. Darüber hinaus findet eine Datenübertragung zwischen den Zusatzüberwachungseinrichtungen 42 statt, so dass die vollumfängliche Überwachung für sämtliche Brennstoffzellen 2 teilweise auch bereits in den Zusatzüberwachungseinheiten 42 ausgeführt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10218672 A1 [0004]

Claims

Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend - übereinander angeordnete Brennstoffzellen (2), - eine Überwachungseinheit (37) als Recheneinheit zur Überwachung von wenigstens einem Parameter der Brennstoffzellen (2), - wenigstens eine Datenübertragungsvorrichtung (38) zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters von den Brennstoffzellen (2) zu der Überwachungseinheit (37), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) mehrere Zusatzüberwachungseinheiten (42) als Recheneinheiten zur Überwachung von wenigstens einem Parameter der Brennstoffzellen (2) und wenigstens eine Datenübertragungsvorrichtung (38) zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters von den Brennstoffzellen (2) zu den Zusatzüberwachungseinheiten (42) umfasst.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzüberwachungseinheiten (42) an der wenigstens einen Datenübertragungsvorrichtung (38) hinsichtlich der Richtung der Datenübertragung zwischen den Brennstoffzellen (2) und der Überwachungseinheit (37) angeordnet sind, so dass die Daten von den Brennstoffzellen (2) zu den Zusatzüberwachungseinheiten (42) übertragbar sind und Daten, insbesondere Überwachungsdaten, von den Zusatzüberwachungseinheiten (42) zu der Überwachungseinheit (37) übertragbar sind.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Brennstoffzellen (2) zu den Zusatzüberwachungseinheiten (42) übertragenen Daten in den Zusatzüberwachungseinheiten (42) zu Überwachungsdaten verarbeitbar sind.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) wenigstens eine Zusatzdatenübertragungsvorrichtung (42) zur Übertragung von Daten, insbesondere Überwachungsdaten, zwischen den Zusatzüberwachungseinheiten (42) umfasst.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) wenigstens einen Generator (50) zur Erzeugung eines Überwachungssignales umfasst und mit der wenigstens einen Datenübertragungsvorrichtung (38) das Überwachungssignal von dem wenigstens einen Generator (50) zu der wenigstens einen Brennstoffzelle (2) übertragbar ist zur Beaufschlagung der wenigstens einen Brennstoffzelle (2) mit dem Überwachungssignal.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass einer Zusatzüberwachungseinheit (42) je ein Generator (50) zugeordnet ist und der der Zusatzüberwachungseinheit (42) zugeordnete Generator (50) von der Zusatzüberwachungseinheit (42) steuerbar und/oder regelbar ist und die wenigstens eine von der Zusatzüberwachungseinheit (42) überwachte Brennstoffzelle (2) identisch ist zu der wenigstens einen Brennstoffzelle (2), welche von dem zugeordneten je einen Generator (50) mit dem Überwachungssignal beaufschlagbar ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zusatzüberwachungseinheit (42) als ein Mikrocontroller (43) oder ein Mikroprozessor (44) ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Datenübertragungsvorrichtung (38) als wenigstens ein Stromkabel (45) und/oder als wenigstens eine CAN-Schnittstelle (46) und/oder wenigstens eine LIN-Schnittstelle (47) und/oder wenigstens ein Funkübertragungsmittel (48) ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Brennstoffzelleneinheit (1) ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 10 bis 15 ausführbar ist.
Verfahren zur Überwachung von wenigstens einem Parameter einer Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend übereinander angeordnete Brennstoffzellen (2), mit den Schritten: - Übertragen von Daten hinsichtlich wenigstens eines Parameters der Brennstoffzellen (2) zu einer Überwachungseinheit (37) als Recheneinheit mit wenigstens einer Datenübertragungsvorrichtung (38), - Verarbeiten der übertragenen Daten in der Überwachungseinheit (37) zur Überwachung der Brennstoffzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Daten der Brennstoffzellen (2) zu Zusatzüberwachungseinheiten (42) übertragen werden, die Daten in den Zusatzüberwachungseinheiten (42) zu Überwachungsdaten als Daten verarbeitet werden und die Überwachungsdaten von den Zusatzüberwachungseinheiten (42) zu der Überwachungseinheit (37) übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten wenigstens einer Brennstoffzelle (2), insbesondere einer Gruppe (49) der Brennstoffzellen (2), zu je einer zugeordneten Zusatzüberwachungseinheit (42) übertragen werden, so dass ausschließlich die wenigstens eine Brennstoffzelle (2), insbesondere ausschließlich die Gruppe (49) der Brennstoffzellen (2), von je einer Zusatzüberwachungseinheit (42) überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Brennstoffzellen (2), insbesondere sämtlichen Brennstoffzellen (2), zu der Überwachungseinheit (37) übertragenen Daten im Wesentlichen, insbesondere ausschließlich, mittelbar als in den Zusatzüberwachungseinheiten (42) verarbeitete Daten als Überwachungsdaten zu der Überwachungseinheit (37) übertragen werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Daten zwischen den Zusatzüberwachungseinheiten (42) übertragen werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mit wenigstens einem Generator (50) ein Überwachungssignal, insbesondere ein Wechselstrom, erzeugt wird und das Überwachungssignal von dem wenigstens einen Generator (50) zu wenigstens einer Brennstoffzelle (2), insbesondere einer Gruppe (49) von Brennstoffzellen (2), übertragen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Parameter die elektrische Spannung und/oder die Impedanz wenigstens einer überwachten Brennstoffzelle (2), insbesondere einer Gruppe (49) von überwachten Brennstoffzellen (2), ist.