DE102019220527A1

DE102019220527A1 - Zelleneinheit

Info

Publication number: DE102019220527A1
Application number: DE102019220527.5A
Authority: DE
Inventors: Sriganesh Sriram; Harald Schmeisser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2021-06-24
Also published as: WO2021129990A1; EP4082059A1

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 Zelleneinheit, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoffs 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 bzw. Einzelzellen 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 elektrischer Leitungen zu einer zentralen Überwachungseinheit als Fuel Cell Control Unit übertragen, so dass die Daten für den Parameter der Spannung die Spannung des in elektrischen Leitungen anliegendem Potentials selbst sind. Eine Brennstoffzelleneinheit mit 400 übereinander angeordneten Brennstoffzellen umfasst 401 Bipolarplatten und bei einer getrennten Überwachung jeder einzelnen Einzelzelle 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.
Weiterhin ist aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2019 214 268 ein Brennstoffzellensystem mit einer Überwachungseinheit und mehreren Zusatzüberwachungseinheiten bekannt. Somit wird das Prüfen von Parametern der einzelnen Brennstoffzellen in zwei Überwachungsebenen durchgeführt.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße Zelleneinheit als Zellenstapel, insbesondere zur Wandlung elektrochemischer in elektrische Energie, umfassend übereinander angeordnete Einzelzellen, eine Überwachungseinheit als Recheneinheit zur Überwachung von wenigstens einem Parameter der Einzelzellen, wenigstens eine Datenübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters von den Einzelzellen zu der Überwachungseinheit, wobei die Zelleneinheit mehrere Zusatzüberwachungseinheiten als Recheneinheiten zur Überwachung von wenigstens einem Parameter der Einzelzellen und wenigstens eine Datenübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters von den Einzelzellen zu den Zusatzüberwachungseinheiten umfasst. Die Überwachung der Einzelzellen, 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 Einzelzellen, 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. Erfindungsgemäß weisen die Zusatzüberwachungseinheiten nun jeweils einen Energiespeicher für elektrische Energie auf. In bevorzugten Ausführungen kann dies eine Batterie oder ein Kondensator sein.
Dadurch muss die Zusatzüberwachungseinheit weder von extern mit elektrischer Energie versorgt werden, noch muss auf eine Überwachung der Parameter während einer Startphase oder während des Herunterfahrens der Zelleneinheit verzichtet werden. Durch die Speicherung der elektrischen Energie in den Zusatzüberwachungseinheiten selbst kann mit Hilfe der gespeicherten Energie also auch während der Start- und Stopphasen ein oder mehrere Parameter der einzelnen Einzelzellen überwacht werden; gerade diese beiden Phasen sind üblicherweise die für die Lebensdauer der Einzelzellen kritischen Phasen. Die elektrische Leistung aus den Einzelzellen reicht in diesen beiden Phasen unter Umständen nicht aus, um die Zusatzüberwachungseinheiten betreiben zu können; die erfindungsgemäßen Energiespeicher schaffen hier jedoch Abhilfe.
Bevorzugt sind die Einzelzellen dabei als Brennstoffzellen ausgebildet, und demzufolge der Zellenstapel als Brennstoffzellenstapel und die Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit. Insbesondere bei Brennstoffzelleneinheiten in mobilen Anwendungen sind gerade während der Start- bzw. Stopphase die Überwachung von Parametern der einzelnen Brennstoffzellen sehr vorteilhaft, da diese Phasen die für die Lebensdauer kritischsten Phasen darstellen.
Die Einzelzellen können jedoch auch allgemein als elektrochemische Zellen, beispielsweise als Elektrolyseurzellen, Redoxflowzellen oder als Batteriezellen ausgeführt sein.
In vorteilhaften Ausführungen sind die Einzelzellen und die Zusatzüberwachungseinheiten in einem Gehäuse angeordnet, während die Überwachungseinheit außerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Dadurch kann die Überwachungseinheit beispielsweise Teil eines Steuergerätes für ein Fahrzeug sein, in welchem die Zelleneinheit verwendet wird.
In bevorzugten Weiterbildungen ist jeder Zusatzüberwachungseinheit eine Gruppe von Einzelzellen zugeordnet. Bevorzugt umfasst die Gruppe dabei nicht mehr als 48 Einzelzellen, besonders bevorzugt nicht mehr als 40 Einzelzellen. Dadurch ist keine galvanische Trennung zwischen den Zusatzüberwachungseinheiten und der Überwachungseinheit mehr erforderlich, da die Gruppe im Betrieb der Zelleneinheit nicht mehr als 60 V generieren kann, was die Grenze für erforderliche Sicherheitsmaßnahmen darstellt.
In vorteilhaften Ausführungen umfasst jede Gruppe zwei als Versorgungsleitungen ausgeführte Datenübertragungsvorrichtungen. Die Stromversorgung der der Gruppe zugeordneten Zusatzüberwachungseinheit erfolgt über diese beiden Versorgungsleitungen. Bevorzugt sind die Versorgungsleitungen als Stromkabel ausgeführt. Weiterhin bevorzugt sind die Versorgungsleitungen die beiden äußeren Datenübertragungsvorrichtungen der Gruppe. Den beiden äußeren Datenübertragungsvorrichtungen kommt somit eine Doppelfunktion zu: die Energieversorgung für die Zusatzüberwachungseinheit (durch die Versorgungsleitung) und die Datenübertragung bezüglich des einen oder mehrerer Parameter der zugeordneten Einzelzellen (durch eine Messleitung); in der Doppelfunktion entspricht die Versorgungsleitung dann der Messleitung.
In bevorzugten Weiterbildungen ist der Energiespeicher direkt mit den beiden Versorgungsleitungen verbunden. Der Energiespeicher kann somit direkt von der Gruppe der ihm zugeordneten Einzelzellen über die beiden Versorgungsleitungen versorgt bzw. aufgeladen werden. Entsprechen die beiden Versorgungsleitungen den beiden äußeren als Stromkabeln ausgeführten Datenübertragungsvorrichtungen, dann kann der Energiespeicher demzufolge mit der maximalen elektrischen Leistung versorgt werden.
In vorteilhaften Ausgestaltungen sind die Zusatzüberwachungseinheiten an der wenigstens einen Datenübertragungsvorrichtung hinsichtlich der Richtung der Datenübertragung zwischen den Einzelzellen und der Überwachungseinheit angeordnet, so dass die Daten von den Einzelzellen 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 Einzelzellen zu den Zusatzüberwachungseinheiten übertragenen Daten in den Zusatzüberwachungseinheiten zu Überwachungsdaten verarbeitbar.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung umfasst die Zelleneinheit wenigstens eine Zusatzdatenübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Daten, insbesondere Überwachungsdaten, zwischen den Zusatzüberwachungseinheiten.
Vorzugsweise umfasst die Zelleneinheit wenigstens einen Generator zur Erzeugung eines Überwachungssignales, und mit der wenigstens einen Datenübertragungsvorrichtung ist das Überwachungssignal von dem wenigstens einen Generator zu wenigstens einer Einzelzelle übertragbar zur Beaufschlagung der wenigstens einen Einzelzelle mit dem Überwachungssignal.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist einer Zusatzüberwachungseinheit je mindestens ein Generator zugeordnet und der der Zusatzüberwachungseinheit zugeordnete mindestens eine Generator ist von der Zusatzüberwachungseinheit steuerbar und/oder regelbar und die wenigstens eine von der Zusatzüberwachungseinheit überwachte Einzelzelle ist identisch zu der wenigstens einen Einzelzelle, welche von dem zugeordneten je mindestens einen Generator mit dem Überwachungssignal beaufschlagbar ist. Das Überwachungssignal dient zur Erfassung eines Parameters, insbesondere der Impedanz, der Einzelzellen. Bevorzugt ist in diesen Ausführungen einer Zusatzüberwachungseinheit genau ein Generator zugeordnet.
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 LI N-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 Zelleneinheit ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar.
Das Verfahren zur Überwachung von wenigstens einem Parameter einer Zelleneinheit als Zellenstapel zur Wandlung elektrochemischer in elektrische Energie, umfassend übereinander angeordnete Einzelzellen, weist folgende Schritte auf: Übertragen von Daten hinsichtlich wenigstens eines Parameters der Einzelzellen zu einer Überwachungseinheit als Recheneinheit mit wenigstens einer Datenübertragungsvorrichtung, Verarbeiten der übertragenen Daten in der Überwachungseinheit zur Überwachung der Einzelzellen, wobei die Daten der Einzelzellen 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. Weiterhin werden die Zusatzüberwachungseinheiten jeweils von den ihnen zugeordneten Einzelzellen mit elektrischer Energie versorgt. Insbesondere für den Betrieb während der Startphase und der Stopphase der als Brennstoffzelleneinheit ausgebildeten Zelleneinheit wird die elektrische Energie bedarfsgerecht in einem Energiespeicher der Zusatzüberwachungseinheiten gespeichert. Diese Speicherung erfolgt bevorzugt während einem Teillastbetrieb der Bren nstoffzellenei nheit.
In einer weiteren Ausgestaltung werden die Daten wenigstens einer Einzelzelle, insbesondere einer Gruppe der Einzelzellen, zu je einer zugeordneten Zusatzüberwachungseinheit übertragen, so dass ausschließlich die wenigstens eine Einzelzelle, insbesondere ausschließlich die Gruppe der Einzelzellen, von je einer Zusatzüberwachungseinheit überwacht wird.
In einer zusätzlichen Variante werden die von den Einzelzellen, insbesondere sämtlichen Einzelzellen, 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 Zelleneinheiten kann damit weiter verbessert werden, weil damit auch die Daten, insbesondere Überwachungsdaten, mehrerer oder sämtlicher 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 Einzelzelle, insbesondere einer Gruppe von Einzelzellen, übertragen, so dass vorzugsweise die Impedanz der wenigstens einen Einzelzelle bestimmt wird.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist der wenigstens eine Parameter die elektrische Spannung und/oder die Impedanz wenigstens einer überwachten Einzelzelle, insbesondere einer Gruppe von überwachten Einzelzellen.
In einer ergänzenden Variante wird das in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Verfahren zur Überwachung von wenigstens einem Parameter einer Zelleneinheit mit einer in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Zelleneinheit ausgeführt. Dabei ist die Zelleneinheit besonders bevorzugt als 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 Zelleneinheit.
Zweckmäßig wird während des Betriebes der Zelleneinheit in den Zusatzüberwachungseinheiten der zulässige und/oder unzulässige Bereich wenigstens eines überwachten Parameters in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Zelleneinheit verändert.
In einer ergänzenden Variante wird der Betrieb der Zelleneinheit in Abhängigkeit von den in der Überwachungseinheit und/oder der wenigstens einen Zusatzüberwachungseinheit verarbeiteten Daten gesteuert und/oder geregelt. Für den Betrieb werden bei einer als Brennstoffzelleneinheit ausgeführten Zelleneinheit 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 des Brennstoffzellenstapels und/oder Befeuchters gesteuert und/oder geregelt.
In einer zusätzlichen Variante wird von der Überwachungseinheit der Betrieb der Zelleneinheit gesteuert und/oder geregelt, so dass die Überwachungseinheit eine Steuer- und/oder Regeleinheit für die Zelleneinheit bildet.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Verfahren zur Überwachung von wenigstens einem Parameter einer Zelleneinheit als Zellenstapel während des Betriebes der Zelleneinheit ausgeführt.
Vorzugsweise wird während des Betriebes der als Brennstoffzelleneinheit ausgeführten Zelleneinheit Brennstoff zu den Anoden und ein Oxidationsmittel zu den Kathoden der Einzelzellen geleitet, so dass von den Einzelzellen elektrische Energie während des Betriebes erzeugt wird.
In einer weiteren Variante umfasst die Zelleneinheit mehrere Zusatzüberwachungseinheiten als Recheneinheiten zur Überwachung von wenigstens einem Parameter von Gruppen der Einzelzellen. Einer Zusatzüberwachungseinheit ist je eine Gruppe der Einzelzellen zugeordnet.
In einer weiteren Variante ist die wenigstens eine Zusatzüberwachungseinheit an wenigstens einer Einzelzelle befestigt. Die wenigstens eine Zusatzüberwachungseinheit ist mit einem Befestigungsmittel mittelbar oder unmittelbar an wenigstens einer Einzelzelle befestigt, insbesondere mit einem Abstand von weniger als 7 cm, 5 cm, 3 cm, 2 cm oder 1 cm zu der wenigstens einen Einzelzelle und/oder wenigstens einer Komponente der Einzelzelle. Auch bei einer Anordnung einer großen Anzahl an Zusatzüberwachungseinheiten an der Zelleneinheit ist diese kompakt aufgebaut. Alternativ ist die Zusatzüberwachungseinheit an dem Gehäuse befestigt.
In einer weiteren Variante umfasst die Zelleneinheit wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.
Zweckmäßig sind Komponenten für Einzelzellen Protonenaustauschmembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten.
In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die als Brennstoffzellen ausgeführten Einzelzellen jeweils eine Protonenaustauschmembran, eine Anode, eine Kathode, wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte.
In einer weiterbildenden Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.
Erfindungsgemäßes als Brennstoffzellensystem ausgeführtes Zellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit als Brennstoffzellen ausgeführten Einzelzellen, 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 Zelleneinheit ausgebildet ist.
In einer weiterführenden Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse oder ein Kompressor ausgebildet.
Insbesondere umfasst die Zelleneinheit 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 einer als Brennstoffzelleneinheit ausgeführten Zelleneinheit Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Einzelzellen 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 Einzelzellen in der Gruppe kleiner als 50%, 30%, 20%, 10% oder 5% der Anzahl sämtlicher Einzelzellen der Zelleneinheit.
In einer weiteren Ausgestaltung wird von je einer Zusatzüberwachungseinrichtung ausschließlich eine Gruppe von Einzelzellen 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 als Brennstoffzellensystem ausgeführten Zellensystems mit Komponenten, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Einzelzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
3 einen Längsschnitt durch eine als Brennstoffzelle ausgeführte Einzelzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
4 eine perspektivische Ansicht einer Zelleneinheit als Zellenstapel, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
5 einen Schnitt durch die Zelleneinheit gemäß 4 in einer weiteren Ausführung.
6 einen Schnitt durch einen Teil der Zelleneinheit mit Überwachungseinheit und Zusatzüberwachungseinheiten, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer als Brennstoffzelle ausgeführten Einzelzelle 2, insbesondere 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⁺ + 4e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ --» 2 H₂O

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 Regel nicht erreicht, dient jedoch dem Sicherheitskriterium für die maximale Anzahl von Einzelzellen 2 pro Gruppe 49 von Einzelzellen 2, auf welches später noch eingegangen wird. 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 Protonenaustauschmembran 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 5 µm bis 150 µm dicke, bevorzugt 10 µm bis 25 µm, 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 Katalysatorschicht 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 bevorzugt von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist bevorzugt von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Grafit eingesetzt.
In einer als Zelleneinheit 1 und/oder einem Zellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Einzelzellen 2 übereinander angeordnet (4). In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei übereinander angeordneten als Brennstoffzellen ausgeführten Einzelzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist beispielsweise 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 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 beispielsweise als Brennstoffzelleneinheit ausgeführten Zelleneinheit 1 sind die Einzelzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33, welche als Spannplatten 34 ausgeführt sind, angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Einzelzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Einzelzelle 2 auf. Die Zelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Einzelzellen 2, insbesondere wenn sie als Brennstoffzelleneinheit ausgeführt ist, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Einzelzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Einzelzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Einzelzelle 2 auf. Damit ist der Zellenstapel 1 verspannt, um die Dichtheit beispielsweise für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Zellenstapels 1 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Einzelzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Zelleneinheit 1 bevorzugt vier Verbindungsvorrichtungen 39 als Bolzen 53 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 53 sind mit den Spannplatten 34 fest verbunden. Alternativ können vorteilhafterweise auch Spannbänder oder Speichen verwendet werden.
5 zeigt einen Schnitt durch die Zelleneinheit 1 gemäß 4 mit einem weiteren Merkmal: Die Zelleneinheit 1 umfasst ein Gehäuse 60, in welchem die Einzelzellen 2 und die Spannelemente 33 angeordnet sind.
In 6 ist stark vereinfacht ein Teil der Zelleneinheit 1 dargestellt und es sind lediglich die Bipolarplatten 10 abgebildet. Die übrigen Komponenten der Einzelzellen 2 zwischen den Bipolarplatten 10 sind in 6 nicht dargestellt. Die Zelleneinheit 1 ist beispielsweise als Brennstoffzelleneinheit ausgeführt und umfasst beispielsweise 400 Brennstoffzellen 2 von denen in 6 nur ein kleiner Teil der Brennstoffzellen 2 dargestellt sind. Einer Gruppe 49 der Einzelzellen 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 Einzelzellen 2 und eine unterste Gruppe 49 mit je 5 zugeordneten Einzelzellen 2 abgebildet. Aus zeichnerischen Gründen sind in 6 somit je einer Zusatzüberwachungseinheit 42 nur eine geringe Anzahl an Einzelzellen 2, d.h. der Gruppe 49 als einem Teil sämtlicher Einzelzellen 2, zugeordnet. Tatsächlich sind je einer Zusatzüberwachungseinheit 42 beispielsweise zehn Einzelzellen 2 zugeordnet, so dass bei beispielsweise 400 Einzelzellen 2 die Zelleneinheit 1 vierzig Zusatzüberwachungseinheiten 42 umfassen würde. Bevorzugt sind jeder Zusatzüberwachungseinheit 42 maximal 48 Einzelzellen 2 zugeordnet, besonders bevorzugt maximal 40 Einzelzellen 2, insbesondere wenn es sich um eine Brennstoffzelleneinheit handelt, so dass die Gesamtspannung pro Zusatzüberwachungseinheit nicht 60 V übersteigt. Die Anzahl 48 ergibt sich dabei aus der Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 von 1,23 V. Die Anzahl 40 ergibt sich aus einer theoretisch kurzzeitig möglichen Maximalspannung von 1,48 V pro Brennstoffzelle 2.
Bei den in 6 dargestellten vier oberen Gruppen 49 mit je 4 zugeordneten Einzelzellen 2 sind zu jeder Bipolarplatte 10 der Einzelzellen 2 der Gruppe 49 je eine Messleitung 45 bzw. je ein Stromkabel 45 als eine Datenübertragungsvorrichtung 38 geführt, so dass für jede Einzelzelle 2 getrennt die Daten von den Bipolarplatten 10 zu der Zusatzüberwachungseinheit 42 geleitet werden können, d. h. es wird für jede Einzelzelle 2 getrennt ein Parameter erfasst. Weiterhin erfolgt die Stromversorgung der Zusatzüberwachungseinheiten 42 durch zwei als Versorgungsleitungen 45a, 45b, insbesondere als Stromkabel 45a, 45b, ausgeführten Datenübertragungsvorrichtungen 38a, 38b, in der Ausführung der 6 durch die jeweils beiden äußeren Versorgungsleitungen 45a, 45b; dies kann jedoch bedarfsgerecht an die benötigte elektrische Leistung der Zusatzüberwachungseinheiten 42 angepasst werden. Dadurch kommt die elektrische Leistung, welche die Zusatzüberwachungseinheiten 42 benötigen, aus den jeweils zugeordneten Gruppen 49 von Einzelzellen 2. Eine externe Stromversorgung der Zusatzüberwachungseinheiten 42 ist nicht erforderlich. Die beiden für die Stromversorgung der Zusatzüberwachungseinheiten 42 zuständigen Datenübertragungsvorrichtungen 38 besitzen also eine Doppelfunktion: zur Parametererfassung der einzelnen zugeordneten Einzelzelle 2 - also als Messleitung 45 - einerseits und zur Stromversorgung der Zusatzüberwachungseinheit 42 aus der Gruppe 49 der zugeordneten Einzelzellen 2 - also als Versorgungsleitung 45a, 45b - andererseits.
Bei der in 6 dargestellten untersten Gruppe 49 mit 5 zugeordneten Einzelzellen 2 sind nur die oberste und unterste Bipolarplatte 10 der Gruppe 49 mit je einem Stromkabel 45 als eine Datenübertragungsvorrichtung 38 verbunden, so dass für die 5 zugeordneten Einzelzellen 2 zusammen die Daten zu der Zusatzüberwachungseinheit 42 geleitet werden können, d. h. es kann für die fünf Einzelzellen 2 nur die Summe eines Parameters erfasst werden; bevorzugt sind die beiden Datenübertragungsvorrichtungen 38 also als Messleitung 45 und als Versorgungsleitung 45a, 45b ausgeführt.
Als Parameter wird beispielsweise die Spannung der Einzelzellen 2 erfasst. Bei den vier obersten Gruppen 49 wird die Spannung jeder einzelnen Einzelzelle 2 erfasst indem die Spannungsdifferenz als Daten zu dem Parameter der Spannung an den Bipolarplatten 10 mit den Messleitungen 45 zu der Zusatzüberwachungseinheit 42 geleitet wird und in der Zusatzüberwachungseinheit 42 mit einem nicht dargestellten und integrierten Spannungsmesser erfasst wird. Bei der untersten Gruppe 49 wird die Spannung als die Summe der Spannungen in den fünf Einzelzellen 2 mit den zwei äußeren Messleitungen 45, 45a, 45b der Zusatzüberwachungseinheit 42 zugeführt.
Als weiterer Parameter wird beispielsweise die Impedanz der als Brennstoffzellen ausgeführten Einzelzellen 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 in der Ausführung der 6 bei den vier oberen Gruppen 49 getrennt für jede Einzelzelle 2 mit der Zusatzüberwachungseinrichtung 42 bestimmt und bei der untersten Gruppe 49 für sämtliche Einzelzellen 2 in dieser untersten Gruppe 49, d. h. die durchschnittliche Impedanz der fünf Einzelzellen 2 in der untersten Gruppe 49. Aus der Impedanz kann die Feuchtigkeit oder der Wassergehalt in den Brennstoffzellen 2, insbesondere der Protonenaustauschmembran 5, bestimmt werden. Je größer die Impedanz ist, desto kleiner ist die Feuchtigkeit oder der Wassergehalt.
Die Zusatzüberwachungseinheiten 42 weisen jeweils einen Energiespeicher 70 auf, welcher bevorzugt als Batterie oder Kondensator ausgeführt ist. Vorteilhafterweise wird der Energiespeicher 70 direkt von den beiden äußeren Datenübertragungsvorrichtungen 38a, 38b bzw. Versorgungsleitungen 45a, 45b mit elektrischer Energie aus den Einzelzellen 2 versorgt. Die Versorgungsleitungen 45a, 45b sind dabei vorteilhafterweise als Stromkabel ausgeführt.
Die Zusatzüberwachungseinheiten 42 sind mit Datenübertragungsvorrichtungen 38 mit einer zentralen Überwachungseinheit 37 als beispielsweise 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 Zelleneinheit 1. Treten bei einzelnen Einzelzellen 2 unzulässige Parameter auf, kann die Überwachungseinheit 37, die somit auch eine Steuer- und/oder Regeleinheit 37 für die Zelleneinheit 1 bildet, Maßnahmen einleiten um den Parameter wieder in einen zulässigen Bereich zu verändern. Bei einer zu kleinen Feuchtigkeit in der Protonenaustauschmembran 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 der Leistung und das Abschalten der Brennstoffzelleneinheit 1, sowie Spülvorgänge in der Zelleneinheit 1 und Massenstromveränderungen auf Anoden- und/oder Kathodenseite der Zelleneinheit 1.
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Zelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung von wenigstens einem Parameter einer Zelleneinheit 1 wesentliche Vorteile verbunden. Zur Datenübertragung von den beispielsweise 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 Einzelzellen 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 Einzelzellen 2 teilweise auch bereits in den Zusatzüberwachungseinheiten 42 ausgeführt werden kann.
Demzufolge sind bevorzugt die Einzelzellen 2 und die Zusatzüberwachungseinheiten 42 in dem Gehäuse 60 angeordnet, während die Überwachungseinheit 37 außerhalb des Gehäuses 60 angeordnet ist. Die Datenübertragungsvorrichtungen 38 werden dann mit einer Spannung von maximal 60 V versorgt, so dass keine galvanische Trennung erforderlich ist, insbesondere wenn einer Zusatzüberwachungseinheit 42 eine Gruppe 49 von maximal 60 Brennstoffzellen 2, bevorzugt maximal 48 bzw. maximal 40 Brennstoffzellen 2, zugeordnet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10218672 A1 [0004]
DE 102019214268 [0005]

Claims

Zelleneinheit (1) als Zellenstapel (1) zur Wandlung elektrochemischer in elektrische Energie, umfassend - übereinander angeordnete Einzelzellen (2), - eine Überwachungseinheit (37) als Recheneinheit zur Überwachung von wenigstens einem Parameter der Einzelzellen (2), - wenigstens eine Datenübertragungsvorrichtung (38) zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters von den Einzelzellen (2) zu der Überwachungseinheit (37), wobei die Zelleneinheit (1) mehrere Zusatzüberwachungseinheiten (42) als Recheneinheiten zur Überwachung von wenigstens einem Parameter der Einzelzellen (2) und wenigstens eine Datenübertragungsvorrichtung (38) zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters von den Einzelzellen (2) zu den Zusatzüberwachungseinheiten (42) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzüberwachungseinheiten (42) jeweils einen Energiespeicher (70) aufweisen.
Zelleneinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (70) als Batterie ausgeführt ist.
Zelleneinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (70) als Kondensator ausgeführt ist.
Zelleneinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (2) und die Zusatzüberwachungseinheiten (42) in einem Gehäuse (60) angeordnet sind und dass die Überwachungseinheit (37) außerhalb des Gehäuses (60) angeordnet ist.
Zelleneinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zusatzüberwachungseinheit (42) eine Gruppe (49) von Einzelzellen (2) zugeordnet ist, wobei bevorzugt die Gruppe (49) nicht mehr als 48 Einzelzellen (2) umfasst.
Zelleneinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Gruppe (49) zwei als Versorgungsleitungen (45a, 45b) ausgeführte Datenübertragungsvorrichtungen (38a, 38b) umfasst, wobei die Stromversorgung der der Gruppe (49) zugeordneten Zusatzüberwachungseinheit (42) über die beiden Versorgungsleitungen (45a, 45b) erfolgt.
Zelleneinheit (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (70) direkt mit den beiden Versorgungsleitungen (45a, 45b) verbunden ist.
Zelleneinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzüberwachungseinheiten (42) an der wenigstens einen Datenübertragungsvorrichtung (38) hinsichtlich der Richtung der Datenübertragung zwischen den Einzelzellen (2) und der Überwachungseinheit (37) angeordnet sind, so dass die Daten von den Einzelzellen (2) zu den Zusatzüberwachungseinheiten (42) übertragbar sind und Daten, insbesondere Überwachungsdaten, von den Zusatzüberwachungseinheiten (42) zu der Überwachungseinheit (37) übertragbar sind.
Zelleneinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Einzelzellen (2) zu den Zusatzüberwachungseinheiten (42) übertragenen Daten in den Zusatzüberwachungseinheiten (42) zu Überwachungsdaten verarbeitbar sind.
Zelleneinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelleneinheit (1) wenigstens eine Zusatzdatenübertragungsvorrichtung (42) zur Übertragung von Daten, insbesondere Überwachungsdaten, zwischen den Zusatzüberwachungseinheiten (42) umfasst.
Zelleneinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelleneinheit (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 Einzelzelle (2) übertragbar ist zur Beaufschlagung der wenigstens einen Einzelzelle (2) mit dem Überwachungssignal.
Zelleneinheit (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass einer Zusatzüberwachungseinheit (42) je mindestens ein Generator (50) zugeordnet ist und der der Zusatzüberwachungseinheit (42) zugeordnete mindestens eine Generator (50) von der Zusatzüberwachungseinheit (42) steuerbar und/oder regelbar ist und die wenigstens eine von der Zusatzüberwachungseinheit (42) überwachte Einzelzelle (2) identisch ist zu der wenigstens einen Einzelzelle (2), welche von dem zugeordneten je mindestens einen Generator (50) mit dem Überwachungssignal beaufschlagbar ist.
Zelleneinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zusatzüberwachungseinheit (42) als ein Mikrocontroller (43) oder ein Mikroprozessor (44) ausgebildet ist.
Zelleneinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, 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 LI N-Schnittstelle (47) und/oder wenigstens ein Funkübertragungsmittel (48) ausgebildet ist.
Zelleneinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelleneinheit (1) als Brennstoffzelleneinheit (1) ausgeführt ist.