DE102019214268A1

DE102019214268A1 - Fuel cell unit

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.Fuel cell unit (1) as a fuel cell stack (1) for the electrochemical generation of electrical energy, comprising fuel cells arranged one above the other, a monitoring unit (37) as a computing unit for monitoring at least one parameter of the fuel cells, at least one data transmission device (38) for transmitting data with regard to the at least a parameter from the fuel cells to the monitoring unit (37), the fuel cell unit (1) having several additional monitoring units (42) as computing units for monitoring at least one parameter of the fuel cells and at least one data transmission device (38) for transmitting data with regard to the at least one parameter from the fuel cells to the additional monitoring units (42).

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.The present invention relates to a fuel cell unit according to the preamble of claim 1 and a method for monitoring at least one parameter of a fuel cell unit according to the preamble of claim 10.

Stand der TechnikState of the art

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.Fuel cell units as galvanic cells convert continuously supplied fuel and oxidizing agent into electrical energy by means of redox reactions at an anode and cathode. Fuel cells are used in a wide variety of stationary and mobile applications, for example in houses without a connection to a power grid or in motor vehicles, in rail transport, in aviation, in space travel and in shipping. In fuel cell units, a large number of fuel cells are arranged one above the other in a stack as a stack.

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.For proper and reliable operation of the fuel cell units, it is necessary to monitor at least one parameter of the fuel cells, for example the voltage and the humidity of the fuel cells. The humidity is indirectly determined, for example, with the impedance as a further parameter. When monitoring the voltage, for example, the applied voltage is transmitted by means of power lines to a central monitoring unit as a fuel cell control unit, so that the data for the voltage parameter is the voltage of the current conducted in power cables itself. A fuel cell unit with 400 fuel cells arranged one above the other comprises 401 bipolar plates and with separate monitoring of each individual fuel cell with regard to the parameter of the voltage, it is therefore necessary to run 401 power lines from the stack of fuel cells to the monitoring unit. This therefore requires a large cable harness, which disadvantageously requires a lot of installation space. The large mass of the cable harness is associated with considerable disadvantages in mobile applications, in particular in motor vehicles. The wire harness is also expensive to manufacture.

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.The DE 102 18 672 A1 shows a method for determining the current to be generated by a fuel cell system for a requested electrical output power, in each case with a requested change in the power to be output by the fuel cell system in a current-voltage determination step from the quotient of the value of the requested power and that at the time of Required power at the fuel cell output measured voltage value, a current value is calculated and fed to the fuel cell system for setting the power.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

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.Fuel cell unit according to the invention as a fuel cell stack for the electrochemical generation of electrical energy, comprising fuel cells arranged one above the other, a monitoring unit as a computing unit for monitoring at least one parameter of the fuel cells, at least one data transmission device for transmitting data with regard to the at least one parameter from the fuel cells to the monitoring unit, the Fuel cell unit comprises a plurality of additional monitoring units as computing units for monitoring at least one parameter of the fuel cells and at least one data transmission device for transmitting data with regard to the at least one parameter from the fuel cells to the additional monitoring units. The monitoring of the fuel cells, d. H. checking whether at least one parameter is in a permissible or non-permissible range is thus carried out in two different monitoring levels, namely a top level in the monitoring unit as the master monitoring unit and in the subordinate additional monitoring units as sub-additional monitoring units. The data are processed into monitoring data in the additional monitoring units. The monitoring data are, for example, error messages for individual fuel cells, so that only a small amount of data has to be processed in the monitoring unit and, moreover, only a small amount of data has to be transmitted from the additional monitoring units to the monitoring unit.

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 a further embodiment, the additional monitoring units are arranged on the at least one data transmission device with regard to the direction of data transmission between the fuel cells and the monitoring unit, so that the data can be transmitted from the fuel cells to the additional monitoring units and data, in particular monitoring data, can be transmitted from the additional monitoring units to the monitoring unit are.

In einer ergänzenden Variante sind die von den Brennstoffzellen zu den Zusatzüberwachungseinheiten übertragenen Daten in den Zusatzüberwachungseinheiten zu Überwachungsdaten verarbeitbar.In a supplementary variant, the data transmitted from the fuel cells to the additional monitoring units can be processed into monitoring data in the additional monitoring units.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Zusatzdatenübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Daten, insbesondere Überwachungsdaten, zwischen den Zusatzüberwachu ngsei nheiten.In an additional embodiment, the fuel cell unit comprises at least one additional data transmission device for transmitting data, in particular monitoring data, between the additional monitoring units.

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.The fuel cell unit preferably comprises at least one generator for generating a monitoring signal and with the at least one data transmission device the monitoring signal can be transmitted from the at least one generator to at least one fuel cell for applying the monitoring signal to the at least one fuel cell.

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 a supplementary embodiment, one generator is assigned to each additional monitoring unit and the generator assigned to the additional monitoring unit can be controlled and / or regulated by the additional monitoring unit and the at least one fuel cell monitored by the additional monitoring unit is identical to the at least one fuel cell that is used by the associated one generator can be acted upon with the monitoring signal. The monitoring signal is used to detect a parameter, in particular the impedance, of the fuel cells.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist die wenigstens eine Zusatzüberwachungseinheit als ein Mikrocontroller oder ein Mikroprozessor ausgebildet.In an additional embodiment, the at least one additional monitoring unit is designed as a microcontroller or a microprocessor.

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.In a further variant, the at least one data transmission device is designed as at least one power cable and / or as at least one CAN interface and / or at least one LIN interface and / or at least one radio transmission means. The radio transmission medium transmits the data by radio, for example with WLAN or Bluetooth.

Zweckmäßig ist mit der in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Brennstoffzelleneinheit ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar.A method described in this patent application can expediently be carried out with the fuel cell unit described in this patent application.

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. Method according to the invention for monitoring at least one parameter of a fuel cell unit as a fuel cell stack for the electrochemical generation of electrical energy, comprising fuel cells arranged one above the other, with the steps of: transmitting data with regard to at least one parameter of the fuel cells to a monitoring unit as a computing unit with at least one data transmission device, processing the transmitted Data in the monitoring unit for monitoring the fuel cells, the data from the fuel cells being transmitted to additional monitoring units, the data being processed as data in the additional monitoring units to form monitoring data, and the monitoring data being transmitted from the additional monitoring units to the monitoring unit.

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 a further embodiment, the data of at least one fuel cell, in particular a group of fuel cells, is transmitted to an associated additional monitoring unit each, so that only the at least one fuel cell, in particular exclusively the group of fuel cells, is monitored by one additional monitoring unit.

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.In an additional variant, the data transmitted from the fuel cells, in particular all fuel cells, to the monitoring unit are essentially, in particular exclusively, transmitted indirectly as data processed in the additional monitoring units as monitoring data to the monitoring unit.

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.Data is expediently transmitted between the additional monitoring units. The monitoring of the fuel cell units can thus be further improved because the data, in particular monitoring data, of several or all of the additional monitoring units can thus also be used to improve and optimize the monitoring on one additional monitoring unit each, i. H. an additional monitoring unit can also use data from at least one other additional monitoring unit for the monitoring.

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 a further embodiment, a monitoring signal, in particular an alternating current, is generated with at least one generator and the monitoring signal is transmitted from the at least one generator to at least one fuel cell, in particular a group of fuel cells, so that the impedance of the at least one fuel cell is preferably determined.

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 a supplementary embodiment, the at least one parameter is the electrical voltage and / or the impedance of at least one monitored fuel cell, in particular a group of monitored fuel cells.

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 a supplementary variant, the method described in this patent application for monitoring at least one parameter of a fuel cell unit is carried out with a fuel cell unit described in this patent application.

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.In a further variant, data is transferred from the monitoring unit to at least one Additional monitoring unit, in particular to all additional monitoring units, transmitted. The data can, for example, be areas for permissible and non-permissible ranges of parameters, so that the permissible and non-permissible ranges can be changed centrally by the monitoring unit for the additional monitoring unit, and can be optimized in terms of operation in particular during operation, e.g. B. as a function of the electrical power to be delivered as an operating parameter of the fuel cell unit.

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.During the operation of the fuel cell unit in the additional monitoring units, the permissible and / or impermissible range of at least one monitored parameter is expediently changed as a function of at least one operating parameter of the fuel cell unit.

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 a supplementary variant, the operation of the fuel cell unit is controlled and / or regulated as a function of the data processed in the monitoring unit and / or the at least one additional monitoring unit. For operation, the volume flow of the supplied fuel and / or the volume flow of the supplied oxidizing agent and / or the volume flow of the supplied water to change the moisture in the supplied fuel and / or in the supplied oxidant and / or the volume flow of the coolant and / or or the inlet temperature of the coolant controlled and / or regulated.

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 an additional variant, the operation of the fuel cell unit is controlled and / or regulated by the monitoring unit, so that the monitoring unit forms a control and / or regulating unit for the fuel cell unit.

In einer weiteren Ausführungsform wird das Verfahren zur Überwachung von wenigstens einem Parameter einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit ausgeführt.In a further embodiment, the method for monitoring at least one parameter of a fuel cell unit as a fuel cell stack is carried out during operation of the fuel cell unit.

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.Preferably, during operation of the fuel cell unit, fuel is fed to the anodes and an oxidizing agent is fed to the cathodes of the fuel cells, so that electrical energy is generated by the fuel cells during operation.

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 a further variant, the fuel cell unit comprises several additional monitoring units as computing units for monitoring at least one parameter of groups of the fuel cells. One group of fuel cells is assigned to each additional monitoring unit.

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 a further variant, the at least one additional monitoring unit is attached to at least one fuel cell. The at least one additional monitoring device is fastened directly or indirectly to at least one fuel cell with a fastening means, in particular at a distance of less than 7 cm, 5 cm, 3 cm, 2 cm or 1 cm from the at least one fuel cell and / or at least one component of the Fuel cell. Even if a large number of additional monitoring units are arranged on the fuel cell unit, the latter has a compact design.

In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.In a further variant, the fuel cell unit comprises at least one connection device, in particular several connection devices, and tensioning elements.

Zweckmäßig sind Komponenten für Brennstoffzellen Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten.Components for fuel cells are proton exchange membranes, anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates.

In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die Brennstoffzellen jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte.In a further embodiment, the fuel cells each include a proton exchange membrane, an anode, a cathode, at least one gas diffusion layer and at least one bipolar plate.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig.In a further embodiment, the connecting device is designed as a bolt and / or is rod-shaped.

Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.The clamping elements are expediently designed as clamping plates.

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.Fuel cell system according to the invention, in particular for a motor vehicle, comprising a fuel cell unit as a fuel cell stack with fuel cells, a compressed gas storage device for storing gaseous fuel, a gas delivery device for delivering a gaseous oxidizing agent to the cathodes of the fuel cells, the fuel cell unit being designed as a fuel cell unit described in this patent application.

In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse oder ein Kompressor ausgebildet.In a further variant, the gas delivery device is designed as a fan or a compressor.

Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.In particular, the fuel cell unit comprises at least 3, 4, 5 or 6 connection devices.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.In a further embodiment, the tensioning elements are plate-shaped and / or disk-shaped and / or flat and / or are designed as a grid.

Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.Preferably the fuel is hydrogen, hydrogen-rich gas, reformate gas or natural gas.

Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.The fuel cells are expediently designed to be essentially flat and / or disk-shaped.

In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.In a supplementary variant, the oxidizing agent is air with oxygen or pure oxygen.

Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen.The fuel cell unit is preferably a PEM fuel cell unit with PEM fuel cells.

Insbesondere ist die Anzahl der Brennstoffzellen in der Gruppe kleiner als 50%, 30%, 20%, 10% oder 5% der Anzahl sämtlicher Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit.In particular, the number of fuel cells in the group is less than 50%, 30%, 20%, 10% or 5% of the number of all fuel cells in the fuel cell unit.

In einer weiteren Ausgestaltung wird von je einer Zusatzüberwachungseinrichtung ausschließlich eine Gruppe von Brennstoffzellen überwacht und/oder ist überwachbar.In a further embodiment, only one group of fuel cells is monitored and / or can be monitored by each additional monitoring device.

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.The invention further comprises a computer program with program code means which are stored on a computer-readable data carrier in order to carry out a method described in this patent application when the computer program is carried out on a computer or a corresponding processing unit.

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.Part of the invention is also a computer program product with program code means that are stored on a computer-readable data carrier in order to carry out a method described in this patent application when the computer program is carried out on a computer or a corresponding processing unit.

FigurenlisteFigure list

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 the following, exemplary embodiments of the invention are described in more detail with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 a greatly simplified exploded view of a fuel cell system with components of a fuel cell,
2 a perspective view of part of a fuel cell,
3rd a longitudinal section through a fuel cell,
4th a perspective view of a fuel cell unit as a fuel cell stack, ie a fuel cell stack,
5 a section through the fuel cell unit according to 4th and
6th a section through part of the fuel cell unit with monitoring unit and additional monitoring units.

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.In the 1 to 3rd is the basic structure of a fuel cell 2 than a PEM fuel cell 3rd (Polymer electrolyte fuel cell 3rd ) shown. The principle of fuel cells 2 consists in that electrical energy or electrical current is generated by means of an electrochemical reaction. To an anode 7th hydrogen H _{2 is passed} as a gaseous fuel and the anode 7th forms the negative pole. To a cathode 8th a gaseous oxidizing agent, namely air with oxygen, is passed, ie the oxygen in the air provides the necessary gaseous oxidizing agent. At the cathode 8th a reduction (electron uptake) takes place. The oxidation as electron donation occurs at the anode 7th executed.

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

The redox equations for the electrochemical processes are:

Cathode: O ₂ + 4 H ⁺ + 4 e ^- - »2 H ₂ O
Anode: 2H ₂ - »4 H ⁺ + 4 e ^-
Sum reaction equation of cathode and anode: 2H ₂ + O ₂ - »2H ₂ O

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.The difference between the normal potentials of the electrode pairs under standard conditions as reversible fuel cell voltage or open circuit voltage of the unloaded fuel cell 2 is 1.23 V. This theoretical voltage of 1.23 V is not achieved in practice. In the idle state and with small currents, voltages of over 1.0 V can be reached and in operation with larger currents, voltages between 0.5 V and 1.0 V are achieved. The series connection of several fuel cells 2 , in particular a fuel cell unit 1 as a fuel cell stack 1 of several fuel cells arranged one above the other 2 , has a higher voltage, which is the number of fuel cells 2 multiplied by the individual voltage of each fuel cell 2 corresponds to.

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.The fuel cell 2 also includes a proton exchange membrane 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), which is between the anode 7th and the cathode 8th is arranged. The anode 7th and cathode 8th are layered or disc-shaped. The PEM 5 acts as an electrolyte, Catalyst carrier and separator for the reaction gases. The PEM 5 also acts as an electrical insulator and prevents an electrical short circuit between the anode 7th and cathode 8th . In general, proton-conducting foils made from perfluorinated and sulfonated polymers are 12 µm to 150 µm thick. The PEM 5 directs the protons H ⁺ and blocks other ions than protons H ⁺ essentially, so that due to the permeability of the PEM 5 for the protons H ⁺ the charge transport can take place. The PEM 5 is essentially impermeable to the reaction gases oxygen O ₂ and hydrogen H ₂ , ie blocks the flow of oxygen O ₂ and hydrogen H ₂ between a gas space 31 at the anode 7th with fuel hydrogen H ₂ and the gas space 32 at the cathode 8th with air or oxygen O ₂ as the oxidizing agent. The proton conductivity of the PEM 5 increases with increasing temperature and increasing water content.

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. On both sides of the PEM 5 , each facing the gas compartments 31 , 32 , are the electrodes 7th , 8th than the anode 7th and cathode 8th on. A unit from the PEM 5 and the electrodes 6th , 7th is called a membrane electrode assembly 6th (Membrane Electrode Array, MEA). The electrodes 7th , 8th are with the PEM 5 pressed. The electrodes 6th , 7th are platinum-containing carbon particles that are bound to PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (fluorinated ethylene-propylene copolymer), PFA (perfluoroalkoxy), PVDF (polyvinylidene fluoride) and / or PVA (polyvinyl alcohol) and are hot-pressed in microporous carbon fiber, glass fiber or plastic mats are. On the electrodes 6th , 7th are on the side facing the gas compartments 31 , 32 usually one catalyst layer each 30th upset. The catalyst layer 30th on the gas compartment 31 with fuel on the anode 7th comprises nanodisperse platinum ruthenium on graphitized soot particles that are bound to a binder. The catalyst layer 30th on the gas compartment 32 with oxidizing agent on the cathode 8th analogously includes nanodisperse platinum. Nafion®, a PTFE emulsion or polyvinyl alcohol, for example, are used as binders.

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.On the anode 7th and the cathode 8th lies a gas diffusion layer 9 (Gas Diffusion Layer, GDL). The gas diffusion layer 9 at the anode 7th distributes the fuel from channels 12th for fuel evenly on the catalyst layer 30th at the anode 7th . The gas diffusion layer 9 at the cathode 8th distributes the oxidant from channels 13th for oxidizing agents evenly on the catalyst layer 30th at the cathode 8th . The GDL 9 also draws water of reaction in the opposite direction to the direction of flow of the reaction gases, ie in one direction each from the catalyst layer 30th to the canals 12th , 13th . The GDL also holds 9 the PEM 5 moist and conducts electricity. The GDL 9 is composed, for example, of a hydrophobized carbon paper and a bonded carbon powder layer.

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.On the GDL 9 lies a bipolar plate 10 on. The electrically conductive bipolar plate 10 serves as a current collector, for water drainage and for guiding the reaction gases through a channel structure 29 and / or a river field 29 and for the dissipation of waste heat, which occurs in particular during the exothermic electrochemical reaction at the cathode 8th occurs. To dissipate the waste heat are in the bipolar plate 10 channels 14th incorporated for the passage of a liquid or gaseous coolant. The channel structure 29 on the gas compartment 31 for fuel is from channels 12th educated. The channel structure 29 on the gas compartment 32 for oxidizer is by channels 13th educated. As a material for the bipolar plates 10 For example, metal, conductive plastics and composite materials or graphite are used.

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.In a fuel cell unit 1 and / or a fuel cell stack 1 and / or a fuel cell stack 1 are several fuel cells 2 arranged one above the other ( 4th ). In 1 is an exploded view of two fuel cells arranged one above the other 2 pictured. A seal 11 seals the gas spaces 31 , 32 fluid-tight. In a pressurized gas storage tank 21 ( 1 ) hydrogen H _{2 is} stored as fuel at a pressure of, for example, 350 bar to 700 bar. From the pressurized gas storage 21 is the fuel through a high pressure line 18th to a pressure reducer 20th directed to reduce the pressure of the fuel in a medium pressure line 17th from about 10 bar to 20 bar. From the medium pressure line 17th the fuel becomes an injector 19th directed. On the injector 19th the pressure of the fuel is reduced to an injection pressure between 1 bar and 3 bar. From the injector 19th becomes the fuel of a supply line 16 for fuel ( 1 ) supplied and from the supply line 16 the canals 12th for fuel, which is the channel structure 29 for fuel form. The fuel flows through the gas space 31 for the fuel. The gas room 31 for the fuel is from the channels 12th and the GDL 9 at the anode 7th educated. After flowing through the channels 12th will not be in the redox reaction at the anode 7th Used fuel and possibly water from a control humidification of the anode 7th through a discharge line 15th from the fuel cells 2 derived.

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.A gas conveyor 22nd , for example as a fan 23 or a compressor 24 formed, promotes air from the environment as an oxidizing agent in a supply line 25th for oxidizing agents. From the supply line 25th will air the ducts 13th for oxidizing agents, which have a channel structure 29 on the bipolar plates 10 for oxidizing agent form, supplied so that the oxidizing agent enters the gas space 32 for the oxidizing agent flows through. The gas room 32 for the oxidizer is from the channels 13th and the GDL 9 at the cathode 8th educated. After flowing through the channels 13th or the gas space 32 for the oxidizing agent 32 it won't be at the cathode 8th spent oxidizing agent and that at the cathode 8th water of reaction resulting from the electrochemical redox reaction through a discharge line 26th from the fuel cells 2 derived. A feed line 27 is used to feed coolant into the channels 14th for coolant and a discharge line 28 serves to derive the through the canals 14th directed coolant. The supply and discharge lines 15th , 16 , 25th , 26th , 27 , 28 are in 1 for reasons of simplification shown as separate lines and can actually be designed differently, for example as bores in a frame (not shown) or as aligned bores in the end area (not shown) of superposed bipolar plates 10 . The fuel cell stack 1 together with the pressurized gas storage tank 21 and the gas conveyor 22nd forms a fuel cell system 4th .

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 the fuel cell unit 1 are the fuel cells 2 between two clamping elements 33 as clamping plates 34 arranged. An upper clamping plate 35 lies on the top fuel cell 2 on and a lower clamping plate 36 lies on the bottom fuel cell 2 on. The fuel cell unit 1 includes approximately 300 to 400 Fuel cells 2 which, for reasons of drawing, are not all in 4th are shown. The clamping elements 33 bring on the fuel cells 2 a compressive force on, ie the upper clamping plate 35 rests on the top fuel cell with a compressive force 2 on and the lower clamping plate 36 rests on the lowest fuel cell with a compressive force 2 on. So that is the fuel cell stack 2 braced to ensure the tightness for the fuel, the oxidizing agent and the coolant, in particular due to the elastic seal 11 to ensure and also the electrical contact resistance within the fuel cell stack 1 to keep it as small as possible. For bracing the fuel cells 2 with the clamping elements 33 are on the fuel cell unit 1 four connecting devices 39 as a bolt 53 formed, which are claimed to train. The four bolts 53 are with the chipboard 34 firmly connected.

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.In 6th is, in greatly simplified form, part of the fuel cell unit 1 shown and there are only the bipolar plates 10 pictured. The remaining components of the fuel cells 2 between the bipolar plates 10 are in 6th not shown. The fuel cell unit 1 includes 400 Fuel cells 2 of those in 6th only a small part of the fuel cells 2 are shown. A group 49 the fuel cells 2 is an additional monitoring unit each 42 , especially a microcontroller 43 or a microprocessor 44 , assigned. In 6th are four upper groups 49 each with 4 assigned fuel cells 2 and a bottom group 49 each 5 assigned fuel cells 2 pictured. For reasons of drawing, in 6th thus one additional monitoring unit each 42 only a small number of fuel cells 2 , ie the group 49 as part of all fuel cells 2 , assigned. In fact, there is one additional monitoring unit each 42 ten fuel cells 2 assigned so that at 400 Fuel cells 2 the fuel cell unit 1 forty additional monitoring units 42 includes. The in 6th shown four upper groups 49 each with 4 assigned fuel cells 2 are for each bipolar plate 10 the fuel cells 2 the group 49 one power cable each 45 as a data transmission device 38 led so for each fuel cell 2 separated the data from the bipolar plates 10 to the additional monitoring unit 42 can be conducted, ie it will be for each fuel cell 2 a parameter recorded separately. At the in 6th shown lowest group 49 With 5 assigned fuel cells 2 are only the top and bottom bipolar plates 10 the group 49 with a power cable each 45 as a data transmission device 38 connected so for that 5 assigned fuel cells 2 together the data for the additional monitoring unit 42 can be conducted, ie it can be used for five fuel cells 2 only the sum of one parameter can be recorded.

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.The voltage of the fuel cells is used as a parameter, for example 2 detected. In the top four groups 49 is the voltage of each individual fuel cell 2 detected by taking the voltage difference as data on the parameter of the voltage on the bipolar plates 10 with the power cables 45 to the additional monitoring unit 42 is conducted and in the additional monitoring unit 42 is detected with an integrated voltmeter, not shown. In the lowest group 49 the stress is expressed as the sum of the stresses in the 5 Fuel cells 2 with the two power cables 45 the additional monitoring unit 42 fed.

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.Another parameter is the impedance of the fuel cells 2 recorded and monitored. Each additional monitoring unit is for this purpose 42 a generator 50 assigned to generate an alternating current with a frequency between 0 and 10 kHz. The generator 50 is preferably used as a MOSFET 51 or IGBT 52 educated. The impedance is in the four upper groups 49 separately for each fuel cell 2 with the additional monitoring device 42 determined and in the lowest group 49 for all fuel cells 2 in this lowest group 49 , ie the average impedance of the 5 Fuel cells 2 in the lowest group 49 . The impedance can be used to determine the humidity or the water content in the fuel cells 2 , especially the Proton exchange membrane 5 , be determined. The larger the impedance, the smaller the moisture or water content.

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.The additional monitoring units 42 are with data transmission devices 38 with a central monitoring unit 37 as a fuel cell control unit 37 (FCCU) connected so that data from the auxiliary monitoring units 42 to the monitoring unit 37 can be directed and vice versa. The data transmission device 38 is for example as a power cord 45 , CAN interface 46 , LIN interface 47 or radio transmission means 48 educated. In the additional monitoring units 42 the data of the monitored parameters of the voltage and the impedance are processed and preferably stored. For example, it is checked whether the parameters are within permissible ranges and a message is only issued as a data signal from the additional monitoring unit in the event of deviations or errors 42 to the monitoring unit 37 . For this purpose, data memories (not shown) are in the additional monitoring units 42 Data on the permissible ranges for the parameters are stored and these are used with the additional monitoring units 42 forwarded data compared. In the event of impermissible recorded parameters, this is indicated by the additional monitoring units 42 to the monitoring unit 37 transmitted. The monitoring unit controls and regulates the fuel cell unit 1 . Occur at individual fuel cells 2 inadmissible parameters, the monitoring unit can 37 , which is thus also a control and / or regulating unit 37 for the fuel cell unit 1 forms, initiate measures to change the parameter back into a permissible range. If the moisture in the proton exchange membrane is too low 5 For example, the humidity can be increased by using the air as the oxidizer on the fan 23 Atomized water is added with an atomizing device, not shown. Further possible measures are the reduction of power and the switching off of the fuel cell unit 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.Viewed overall, the fuel cell unit according to the invention 1 and the method according to the invention for monitoring at least one parameter of a fuel cell unit 1 associated significant advantages. For data transfer from the 400 Fuel cells 2 to the central monitoring unit 37 it is not necessary for every fuel cell to be monitored 2 or group 49 of fuel cells 2 Power cord 45 to the monitoring unit 37 to lead, ie a correspondingly large wiring harness can be avoided. The processing of the data on the parameters takes place decentrally in the additional monitoring units 42 and only full monitoring for all fuel cells 2 is in the monitoring unit 37 with a processor 40 and a data memory 41 executed so that the necessary computing power and the capacity of the data memory 41 is significantly reduced compared to the prior art. In addition, there is data transmission between the additional monitoring devices 42 instead, so that full monitoring for all fuel cells 2 partly already in the additional monitoring units 42 can be executed.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 10218672 A1 [0004]

Claims

Fuel cell unit (1) as a fuel cell stack (1) for the electrochemical generation of electrical energy, comprising - fuel cells (2) arranged one above the other, - a monitoring unit (37) as a computing unit for monitoring at least one parameter of the fuel cells (2), - at least one data transmission device ( 38) for the transmission of data with regard to the at least one parameter from the fuel cells (2) to the monitoring unit (37), characterized in that the fuel cell unit (1) has several additional monitoring units (42) as computing units for monitoring at least one parameter of the fuel cells (2 ) and at least one data transmission device (38) for transmitting data with regard to the at least one parameter from the fuel cells (2) to the additional monitoring units (42).

Fuel cell unit according to Claim 1 , characterized in that the additional monitoring units (42) are arranged on the at least one data transmission device (38) with regard to the direction of data transmission between the fuel cells (2) and the monitoring unit (37), so that the data from the fuel cells (2) to the Additional monitoring units (42) can be transmitted and data, in particular monitoring data, can be transmitted from the additional monitoring units (42) to the monitoring unit (37).

Fuel cell unit according to Claim 1 or 2 , characterized in that the data transmitted from the fuel cells (2) to the additional monitoring units (42) can be processed into monitoring data in the additional monitoring units (42).

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the fuel cell unit (1) comprises at least one additional data transmission device (42) for transmitting data, in particular monitoring data, between the additional monitoring units (42).

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the fuel cell unit (1) comprises at least one generator (50) for generating a monitoring signal and with the at least one data transmission device (38) the monitoring signal from the at least one generator (50) to the at least one fuel cell (2) can be transmitted to apply the monitoring signal to the at least one fuel cell (2).

Fuel cell unit according to Claim 5 , characterized in that each additional monitoring unit (42) is assigned a generator (50) and the generator (50) assigned to the additional monitoring unit (42) can be controlled and / or regulated by the additional monitoring unit (42) and the at least one of the additional monitoring unit ( 42) monitored fuel cell (2) is identical to the at least one fuel cell (2) to which the monitoring signal can be applied by the associated generator (50).

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the at least one additional monitoring unit (42) is designed as a microcontroller (43) or a microprocessor (44).

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the at least one data transmission device (38) as at least one power cable (45) and / or as at least one CAN interface (46) and / or at least one LIN interface (47) and / or at least one radio transmission means (48) is formed.

Fuel cell unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that with the fuel cell unit (1) a method according to one or more of the Claims 10 to 15th is executable.

A method for monitoring at least one parameter of a fuel cell unit (1) as a fuel cell stack (1) for the electrochemical generation of electrical energy, comprising fuel cells (2) arranged one above the other, with the steps of: - transferring data with regard to at least one parameter of the fuel cells (2) a monitoring unit (37) as a computing unit with at least one data transmission device (38), - processing of the transmitted data in the monitoring unit (37) for monitoring the fuel cells (2), characterized in that the data from the fuel cells (2) to additional monitoring units (42) are transmitted, the data in the additional monitoring units (42) are processed into monitoring data as data and the monitoring data are transmitted from the additional monitoring units (42) to the monitoring unit (37).

Procedure according to Claim 10 , characterized in that the data is at least one Fuel cells (2), in particular a group (49) of fuel cells (2), are transmitted to an associated additional monitoring unit (42) each, so that only the at least one fuel cell (2), in particular exclusively the group (49) of fuel cells (2 ), is monitored by an additional monitoring unit (42) each.

Procedure according to Claim 10 or 11 , characterized in that the data transmitted from the fuel cells (2), in particular all fuel cells (2), to the monitoring unit (37) essentially, in particular exclusively, indirectly as data processed in the additional monitoring units (42) as monitoring data for the monitoring unit ( 37) can be transferred.

Method according to one or more of the Claims 10 to 12th , characterized in that data are transmitted between the additional monitoring units (42).

Method according to one or more of the Claims 10 to 13th , characterized in that a monitoring signal, in particular an alternating current, is generated with at least one generator (50) and the monitoring signal from the at least one generator (50) to at least one fuel cell (2), in particular a group (49) of fuel cells (2 ), is transmitted.

Method according to one or more of the Claims 10 to 14th , characterized in that the at least one parameter is the electrical voltage and / or the impedance of at least one monitored fuel cell (2), in particular a group (49) of monitored fuel cells (2).