DE102020131161A1 - Überwachungsvorrichtung zur Temperatur- und Spannungsüberwachung eines Brennstoffzellen-Stacks, Energieumwandlungssystem mit einer solchen Überwachungsvorrichtung und Verfahren hierfür - Google Patents

Überwachungsvorrichtung zur Temperatur- und Spannungsüberwachung eines Brennstoffzellen-Stacks, Energieumwandlungssystem mit einer solchen Überwachungsvorrichtung und Verfahren hierfür Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung zur Temperatur- und Spannungsüberwachung eines aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen (110, 120, 130) gebildeten Stacks (100) und der Brennstoffzellen (110, 120, 130) des Stacks (100) sowie ein Energieumwandlungssystem mit einem Stack (100) und einem Überwachungssystem, wobei das Überwachungssystem eine Vielzahl von Spannungsmessvorrichtungen (111, 121, 131) aufweist, wobei an jeder Brennstoffzelle (110, 120, 130) des Stacks (100) eine Spannungsmessvorrichtung (111, 121, 131) zur Messung der Spannung (U110, U120, U130) der jeweiligen Brennstoffzelle (110, 120, 130) anordenbar ist, so dass eine Zellspannung (U110, U120, U130) jeder Brennstoffzelle (110, 120, 130) des Stacks (100) erfassbar ist, und wobei das Überwachungssystem zumindest zwei Temperaturmessvorrichtungen (112, 122, 132) aufweist, wobei zumindest an der ersten Brennstoffzelle (110) und an der letzten Brennstoffzelle (130) des Stacks (100) jeweils eine Temperaturmessvorrichtungen (112, 122, 132) zur Messung der Temperatur (T110, T120, T130) der jeweiligen Brennstoffzelle (110, 120, 130) anordenbar ist, so dass zumindest eine Temperatur (T110) der ersten Brennstoffzelle (110) und eine Temperatur (T130) der letzten Brennstoffzelle (130) erfassbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung zur Temperatur- und Spannungsüberwachung eines aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen gebildeten Stacks und der Brennstoffzellen des Stacks, ein Energieumwandlungssystem mit einer solchen Überwachungsvorrichtung und einem Stack sowie ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Energieumwandlungssystems.
  • Im Stand der Technik ist bereits eine Vielzahl von Überwachungsvorrichtungen für aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen gebildeten Stacks bzw. Energieumwandlungssysteme mit solchen Stacks und zugehörigen Überwachungsvorrichtungen bekannt.
  • Als Stack, welcher auch als Zellenstapel bezeichnet werden kann, werden mehrere meist hintereinander angeordnete und elektrisch in Reihe geschaltete Brennstoffzellen verstanden, welche auch vereinfacht als Zellen bezeichnet werden können. Über die Anzahl der einzelnen in Reihe geschalteten Brennstoffzellen lässt sich die Leistung des Stacks variieren, wobei die Gesamtspannung des Stacks der Summe der einzelnen Zellspannungen der Brennstoffzellen des Stacks entspricht.
  • Die bekannten Systeme basieren jedoch meist darauf, dass lediglich die Gesamtspannung über alle Brennstoffzellen des Stacks oder die Spannung mehrerer Brennstoffzellen des Stacks gemeinsam gemessen wird/werden, so dass kein Rückschluss auf den Zustand einzelner Brennstoffzellen möglich ist.
  • Entsprechend können die bekannten Systeme auch nicht gemäß den Zuständen einzelner Brennstoffzellen angesteuert werden, so dass Fehler bzw. Schäden nicht erkannt oder erkannt aber diesen nicht gezielt gegengesteuert werden kann. Hierdurch verkürzt sich oftmals die Lebensdauer und verringert sich die Effizienz der Stacks bzw. der mit diesen gebildeten Systeme.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu überwinden und ein Überwachungssystem bzw. ein Energieumwandlungssystem mit einem solchen Überwachungssystem sowie ein zugehöriges Verfahren zur Steuerung bereitzustellen, durch welche die Lebensdauer und Effizienz des Stacks bzw. der Brennstoffzellen des Stacks erhöht werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird eine Überwachungsvorrichtung zur Temperatur- und Spannungsüberwachung eines aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen gebildeten Stacks und der Brennstoffzellen des Stacks vorgeschlagen, so dass sowohl die einzelnen Brennstoffzellen als auch der aus diesen gebildete Stack überwacht und den Stack bzw. dessen einzelne Brennstoffzellen beeinflussende Vorrichtungen darauf basierend angesteuert werden können. Die Brennstoffzellen des Stacks sind dabei, wie zuvor erwähnt, vorzugsweise gestapelt angeordnet und elektrisch miteinander in Reihe geschalten. Der Stack weist dabei zumindest eine erste Brennstoffzelle und eine letzte Brennstoffzelle sowie optional zumindest eine zwischen der ersten und der letzten Brennstoffzelle liegende weitere Brennstoffzelle auf. Eine Minimalkonfiguration sieht also einen Stack mit genau zwei Brennstoffzellen, der ersten und der letzten Brennstoffzelle vor, wobei meist mehrere zwischen der ersten und der letzten Brennstoffzelle liegende weitere Brennstoffzellen vorgesehen sein können. Die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung weist zudem einer Vielzahl von Spannungsmessvorrichtungen auf, wobei an jeder Brennstoffzelle des Stacks eine Spannungsmessvorrichtung der Vielzahl von Spannungsmessvorrichtungen zur Messung der Spannung der jeweiligen Brennstoffzelle anordenbar ist. Hierdurch kann eine jeweilige Zellspannung jeder Brennstoffzelle des Stacks erfasst werden. Ferner weist die Überwachungsvorrichtung zumindest zwei Temperaturmessvorrichtungen auf, wobei zumindest an der ersten Brennstoffzelle und an der letzten Brennstoffzelle des Stacks jeweils eine Temperaturmessvorrichtungen zur Messung der Temperatur der jeweiligen Brennstoffzelle anordenbar ist. Verfügt der Stack über weitere Brennstoffzellen, können weitere Temperaturmessvorrichtungen an den zwischen der ersten Brennstoffzelle und der letzten Brennstoffzelle liegenden Brennstoffzellen vorgesehen sein. Dabei kann beispielsweise an jeder Brennstoffzelle oder nur an einem Teil, wie an jeder zweiten Brennstoffzelle eine jeweilige Temperaturmessvorrichtung vorgesehen sein. Durch die Temperaturmessvorrichtungen sind zumindest eine Temperatur der ersten Brennstoffzelle und eine Temperatur der letzten Brennstoffzelle erfassbar, wobei bei weiteren Brennstoffzellen und weiteren Temperaturmessvorrichtungen auch weitere Temperaturen erfasst werden können.
  • Eine vorteilhafte Variante der Überwachungsvorrichtung sieht vor, dass diese ferner eine Auswerteeinheit aufweist, welche ausgebildet ist, einen Zustand und eine zu erwartende Lebensdauer der einzelnen Brennstoffzellen des Stacks und/oder des gesamten aus den Brennstoffzellen gebildeten Stacks aus den Zellspannungen der Brennstoffzellen und den Temperaturen zumindest der ersten Brennstoffzelle und der letzten Brennstoffzelle zu bestimmen. Sind die Temperaturen weiterer Brennstoffzellen des Stacks bekannt, können diese in die Bestimmung des Zustands und der zu erwartenden Lebensdauer einbezogen werden. Zur Bestimmung des Zustands und der Lebensdauer können beispielsweise in der Auswerteeinheit hinterlegt bzw. gespeicherte Diagramme verwendet werden, aus welchen sich die gewünschten Größen in Abhängigkeit der bekannten Werte bestimmen lassen. Neben Zustand und der zu erwartenden Lebensdauer kann beispielsweise auch die Effizienz der einzelnen Brennstoffzellen und/oder des aus den Brennstoffzellen gebildeten Stacks bestimmt werden. Die dadurch bestimmten Zustände und Werte des Stacks und einzelner Brennstoffzellen können zudem an ein übergeordnetes System gemeldet werden.
  • Vorteilhaft ist zudem eine Ausführungsform, bei welcher in die Auswerteeinheit ein weiterer Temperatursensor zur Messung der Temperatur der Auswerteeinheit und/oder einer Umgebung der Überwachungsvorrichtung integriert ist. Die Temperatur der Brennstoffzellen und die Zustände der Brennstoffzellen sind meist auch von der Umgebungstemperatur der Überwachungsvorrichtung bzw. des Stacks abhängig, so dass ein weiterer Temperatursensor vorgesehen sein kann, durch welchen diese Temperaturen erfassbar sind. Die dadurch ermittelten Temperaturen können dann bei der Bestimmung des Zustandes, der Lebensdauer sowie einer Effizienz der einzelnen Brennstoffzellen bzw. des gesamten Stacks berücksichtigt werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Energieumwandlungssystem mit einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung sowie einem aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen gebildeten Stack. Der Stack ist wie bereits beschrieben aufgebaut und weist entsprechend zumindest eine erste Brennstoffzelle und eine letzte Brennstoffzelle sowie optional zumindest eine zwischen der ersten und der letzten Brennstoffzelle angeordnete und mit diesen in Reihe geschaltete weitere Brennstoffzelle auf. An jeder Brennstoffzelle des Stacks ist eine Spannungsmessvorrichtung der Vielzahl von Spannungsmessvorrichtungen zur Messung der Spannung der jeweiligen Brennstoffzelle angeordnet, so dass eine bzw. jeweils eine Zellspannung jeder Brennstoffzelle des Stacks erfassbar ist. Ferner weist das Überwachungssystem zumindest zwei Temperaturmessvorrichtungen auf, wobei zumindest an der ersten Brennstoffzelle und an der letzten Brennstoffzelle des Stacks jeweils eine Temperaturmessvorrichtungen zur Messung der jeweiligen Temperatur der jeweiligen Brennstoffzelle angeordnet ist, so dass zumindest eine Temperatur der ersten Brennstoffzelle und eine Temperatur der letzten Brennstoffzelle erfassbar ist. Sind weitere Brennstoffzellen des Stacks vorgesehen, können an diesen weiteren Brennstoffzellen weitere Temperaturmessvorrichtungen zur Erfassung der jeweiligen Temperatur vorgesehen sein.
  • Vorteilhaft ist zudem eine Ausführung, bei welcher die Überwachungsvorrichtung eine Auswerteeinheit aufweist, bei welcher es sich beispielsweise um die zuvor beschriebene Auswerteeinheit handeln kann, welche ausgebildet ist, einen Zustand und eine zu erwartende Lebensdauer der einzelnen Brennstoffzellen des Stacks und/oder des Stacks aus den Zellspannungen der Brennstoffzellen und den Temperaturen zumindest der ersten Brennstoffzelle und der letzten Brennstoffzelle zu bestimmen.
  • Weiter ist eine Variante von Vorteil, bei welcher das Energieumwandlungssystem eine Heizvorrichtung aufweist und die Überwachungsvorrichtung ausgebildet ist, die Heizvorrichtung abhängig von zumindest der Temperatur der ersten Brennstoffzelle und der Temperatur der letzten Brennstoffzelle sowie, sofern vorhanden, den einzelnen Temperaturen der weiteren Brennstoffzellen des Stacks anzusteuern, so dass die Brennstoffzellen des Stacks und/oder einzelne Brennstoffzellen des Stacks abhängig von zumindest der Temperatur der ersten Brennstoffzelle und der Temperatur der letzen Brennstoffzelle erwärmbar sind. Die Heizvorrichtung kann dabei ausgebildet sein, alle Brennstoffzellen des Stacks gemeinsam oder die einzelnen Brennstoffzellen des Stacks zu erwärmen, so dass beispielsweise auch nur einzelne Brennstoffzellen erwärmt werden können und eine Ansteuerung derart erfolgen kann, dass alle oder nur bestimmte Brennstoffzellen des Stacks erwärmt werden.
  • Alternativ oder zusätzlich zu der Heizvorrichtung kann das Energieumwandlungssystem zudem eine Kühlvorrichtung aufweisen, wobei die Überwachungsvorrichtung ausgebildet sein kann, die Kühlvorrichtung abhängig von zumindest der Temperatur der ersten Brennstoffzelle und der Temperatur der letzten Brennstoffzelle sowie, sofern vorhanden, den einzelnen Temperaturen der weiteren Brennstoffzellen des Stacks anzusteuern, so dass die Brennstoffzellen des Stacks und/oder einzelne Brennstoffzellen des Stacks abhängig von zumindest der Temperatur der ersten Brennstoffzelle und der Temperatur der letzen Brennstoffzelle kühlbar sind. Die Kühlvorrichtung kann dabei ausgebildet sein, alle Brennstoffzellen des Stacks gemeinsam oder die einzelnen Brennstoffzellen des Stacks zu kühlen, so dass beispielsweise auch nur einzelne Brennstoffzellen gekühlt werden können und eine Ansteuerung derart erfolgen kann, dass alle oder nur bestimmte Brennstoffzellen des Stacks gekühlt werden.
  • Die Heizvorrichtung und/oder die Kühlvorrichtung kann alternativ auch über ein übergeordnetes System gesteuert werden, an welches ein Über- oder Unterschreiten etwaiger Temperaturgrenzwerte gemeldet werden kann, zu welchen beispielsweise eine Minimaltemperatur und eine Maximaltemperatur gehören.
  • Weiter weist das Energieumwandlungssystem gemäß einer vorteilhaften Variante ein Brennstoff-Fluidsystem zur Zuführung eines Brennstoffes in die Brennstoffzellen des Stacks auf, wobei es sich beispielsweise bei dem Brennstoff bei einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle um Wasserstoff (H2) handelt. Zudem ist hierbei die Überwachungsvorrichtung ausgebildet, das Brennstoff-Fluidsystem abhängig von den Zellspannungen der Brennstoffzellen des Stacks anzusteuern, so dass ein Druck und/oder einen Brennstoff-Volumenstrom des durch das Brennstoff-Fluidsystem den Brennstoffzellen zugeführten Brennstoffs steuerbar sind/ist. Dabei kann die Ansteuerung des Brennstoff-Fluidsystems sowohl auf der Auswertung einzelner Zellenspannungen als auch auf einer Berechnung auf Grundlage mehrerer Zellenspannungen basieren. Zudem kann vorgesehen sein, dass durch das Brennstoff-Fluidsystem ein jeweiliger Druck und/oder ein jeweiliger Brennstoff-Volumenstrom der einzelnen Brennstoffzellen des Stacks oder der Druck und/oder der Brennstoff-Volumenstrom aller Brennstoffzellen des Stacks gemeinsam steuerbar bzw. veränderlich sind/ist.
  • Neben dem Brennstoff-Fluidsystem weist das Energieumwandlungssystem bei einer vorteilhaften Ausführungsform ein Oxidator-Fluidsystem zur Zuführung eines Oxidationsmittels in die Brennstoffzellen des Stacks auf, wobei es sich beispielsweise bei dem Oxidator bei einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle um Sauerstoff (O2) handelt. Dabei ist die Überwachungsvorrichtung ausgebildet, das Oxidator -Fluidsystem abhängig von den Zellspannungen der Brennstoffzellen des Stacks anzusteuern, so dass ein Druck und/oder einen Oxidator-Volumenstrom des durch das Oxidator-Fluidsystem den Brennstoffzellen zugeführten Oxidationsmittels steuerbar sind/ist. Wie bei dem Brennstoff-Fluidsystem kann auch bei dem Oxidator-Fluidsystem vorgesehen sein, dass die Ansteuerung des Oxidator -Fluidsystems sowohl auf der Auswertung einzelner Zellenspannungen als auch auf einer Berechnung auf Grundlage mehrerer Zellenspannungen basieren kann. Ferner kann der Druck und/oder der Oxidator-Volumenstrom des Stacks oder der Druck und/oder der Oxidator-Volumenstrom aller Brennstoffzellen des Stacks gemeinsam steuerbar bzw. veränderlich sein.
  • Neben dem Überwachungssystem und dem ein solches Überwachungssystem umfassendes Energieumwandlungssystem betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Steuerung des erfindungsgemäßen Energieumwandlungssystems. Die Auswerteeinheit bestimmt in einem Dauerbetriebsmodus, in welchem das Energieumwandlungssystem regulär bzw. stationär betrieben wird, aus den jeweiligen Zellspannungen der Brennstoffzellen und vorzugsweise aller Brennstoffzellen des Stacks sowie den Temperaturen zumindest der ersten Brennstoffzelle und der letzten Brennstoffzelle einen Zustand und eine zu erwartende Lebensdauer der einzelnen Brennstoffzellen des Stacks und/oder des gesamten Stacks. Zudem kann vorgesehen sein, dass der Zustand und/oder die zu erwartende Lebensdauer an übergeordnete Systeme weitergegeben werden/wird. Als Zustand wird hierbei auch insbesondere verstanden, ob sich die einzelnen Brennstoffzellen des Stacks innerhalb zulässiger Betriebsparameter befinden. Als Betriebsparameter sind beispielsweise die nachfolgend erläuterte Maximal- und Minimaltemperatur sowie der obere und untere Spannungsgrenzwert zu verstehen.
  • Zudem ist zur Erkennung einer Vorschädigung der Brennstoffzellen vorteilhaft, dass die Auswerteeinheit gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung in einem Initialisierungsmodus, also bei einer Inbetriebnahme des Energieumwandlungssystems und bevor dieses in den Dauerbetriebsmodus geschalten wird, die von den zumindest zwei Temperaturmessvorrichtungen erfassten Temperaturen und sofern vorhanden weitere Temperaturen weiterer Brennstoffzellen mit einer vorbestimmten Minimaltemperatur der Brennstoffzellen vergleicht und bei einem Unterschreiten der Temperaturen unter die Minimaltemperatur die zuvor beschriebene Heizvorrichtung die Brennstoffzellen erwärmend ansteuert. Dabei kann die Heizvorrichtung derart angesteuert werden, dass alle Brennstoffzellen des Stacks gemeinsam oder einzelne Brennstoffzellen des Stacks sich erwärmen. Vorzugsweise erfolgen der Vergleich und die Überwachung im Initialisierungsmodus kontinuierlich oder intervallweise und so lange, bis alle Temperaturen bzw. alle Brennstoffzellen die Minimaltemperatur erreicht haben bzw. oberhalb dieser liegen. Hierdurch können insbesondere Schäden durch beispielsweise Wasser oder Eis an den Brennstoffzellen verhindert werden.
  • Zudem sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahren vor, dass die Auswerteeinheit in dem Dauerbetriebsmodus die von den zumindest zwei Temperaturmessvorrichtungen erfassten Temperaturen beispielsweise kontinuierlich oder intervallweise mit einer vorbestimmten Maximaltemperatur der Brennstoffzellen vergleicht und bei einem Überschreiten der Temperaturen bzw. einer Temperatur über die Maximaltemperatur die zuvor beschriebene Kühlvorrichtung derart ansteuert, dass alle Brennstoffzellen des Stacks oder einzelne Brennstoffzellen des Stacks und vorzugsweise die Brennstoffzellen des Stacks, dessen Temperatur oberhalb der Maximaltemperatur liegen, kühlend angesteuert werden, wodurch sich eine Schädigung der Brennstoffzellen durch zu hohe Temperaturen verhindern lässt.
  • Grundsätzlich kann auch während des Dauerbetriebs eine Überwachung der Brennstoffzellen hinsichtlich der Minimaltemperatur vorgesehen sein, wobei dies meist nicht notwendig ist, sofern harsche Umgebungsbedingungen des Energieumwandlungssystems dies nicht erfordern.
  • Die Auswerteeinheit kann in dem Dauerbetriebsmodus zudem die Zellspannungen jeder der Brennstoffzellen wiederum beispielsweise kontinuierlich oder intervallweise mit einem unteren Spannungsgrenzwert und einem oberen Spannungsgrenzwert vergleichen und bei einem Überschreiten einer der Zellspannungen über den oberen Spannungsgrenzwert und/oder bei einem Unterschreiten der Zellspannung unter den unteren Spannungsgrenzwert das zuvor beschriebene Brennstoff-Fluidsystem und/oder das zuvor beschriebene Oxidator-Fluidsystem die jeweilige Brennstoffzelle und/oder alle Brennstoffzellen durch eine entsprechende Druck- bzw. Volumenstromerhöhung spülend ansteuern. Ferner kann eine Meldung an ein übergeordnetes System erfolgen, wobei die Steuerung des Brennstoff-Fluidsystems und/oder des Oxidator-Fluidsystems auch über das übergeordnete System erfolgen kann.
  • Der untere Spannungsgrenzwert kann beispielsweise 0 V und der obere Spannungsgrenzwert 1,5 V sein. Als unterer Spannungsgrenzwert sind alternativ auch Werte kleiner 0 V möglich. Unter- bzw. Überschreitet der Spannungswert einer einzelnen Brennstoffzelle diese Werte, kann eine Ausgabe einer zu der Brennstoffzelle gehörenden Zellnummer an das übergeordnete System oder an das Brenstoff- und Oxidator-Fluidsystem erfolgen, welche dann durch Druckerhöhung einen Spülvorgang der entsprechenden Brennstoffzelle einleiten.
  • Entsprechend kann die Versorgung der einzelnen Brennstoffzellen mit Brennstoff und Oxidator bzw. O2 und H2 für alle Brennstoffzellen des Stacks basierend auf den jeweils zugehörigen Temperatur- und Spannungswerte einzeln angepasst werden, so dass sich die energetische Gesamteffizienz des Stacks verbessert und sich die Lebensdauer der einzelnen Brennstoffzellen erhöht.
  • Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen.
  • Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
    • 1 einen Stack mit einer Auswerteeinheit;
    • 2 Ablaufdiagramm zur Umsetzung des vorgeschlagenen Verfahrens.
  • Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.
  • 1 stellt schematisch einen Stack 100 mit mehreren einzelnen Brennstoffzellen 110, 120, 130 dar, wobei beispielhaft eine erste Brennstoffzelle 110, eine zweite Brennstoffzelle 120 und eine letzte Brennstoffzelle 130 dargestellt sind. Dabei können zwischen der zweiten Brennstoffzelle 120 und der letzten Brennstoffzelle 130 weitere Brennstoffzellen angeordnet sein, wie durch die gepunkteten Linien angedeutet wird. Durch entsprechende in die Auswerteinheit 140 integrierte Spannungs- und Temperatur-Messvorrichtungen 111, 112, 121, 122, 131, 132 können bei der dargestellten Variante sowohl die Spannung U110, U120, U130 als auch die Temperatur T110, T120, T130 jeder Brennstoffzelle 110, 120, 130 des Stacks 100 einzeln erfasst werden. Alternativ könnte beispielsweise auch nur die Temperatur T110, T130 der ersten Brennstoffzelle 110 und der letzten Brennstoffzelle 130 durch einen jeweiligen Temperatursensor 112, 132 erfasst werden. Zur Einbeziehung der Umgebungsbedingungen bzw. insbesondere der Umgebungstemperatur, weist die Auswerteeinheit 140 vorliegend zudem einen weiteren Temperatursensor 142 auf, durch welchen die Temperatur T140 der Überwachungseinheit erfassbar ist. Zur Übermittlung der mit den Spannungswerten U110, U120, U130 und den Temperaturen T110, T120, T130 der Brennstoffzellen 110, 120, 130 bestimmten Zustände der Brennstoffzellen 110, 120, 130 sowie des daraus gebildeten Stacks 100 an ein übergeordnetes System, weist die Auswerteeinheit 140 ferner eine Kommunikationsschnittelle 140 auf, durch welche entsprechende Signale gesendet und empfangen werden können.
  • 2 illustriert einen beispielhaften Verfahrensablauf des vorgeschlagenen Verfahrens. Die Schritte und Übergangsbedingungen sind dabei wie folgt:
    • 1
    Start
    2
    Start des Initialisierungsmodus
    3
    Ermittlung der Temperaturen T110, T120, T130 der Brennstoffzellen 110, 120, 130
    4
    Sind alle Temperaturen T110, T120, T130 der Brennstoffzellen 110, 120, 130 oberhalb der Minimaltemperatur Tmin?
    4a
    Falls Ja, dann weiter zu Schritt 6
    4b
    Falls Nein, dann weiter zu Schritt 5
    5
    Ansteuern der Heizvorrichtung zur Erwärmung aller Brennstoffzellen 110, 120, 130 oder zumindest der Brennstoffzelle, deren Temperatur unterhalb der Minimaltemperatur Tmin ist
    6
    Umschalten aus dem Initialisierungsmodus in den Dauerbetriebsmodus
    7
    Ermittlung der Temperaturen T110, T120, T130 der Brennstoffzellen 110, 120, 130
    8
    Sind alle Temperaturen T110, T120, T130 der Brennstoffzellen 110, 120, 130 unterhalb der Maximaltemperatur Tmax?
    8a
    Falls Ja, dann zurück zu Schritt 7 zur weiteren Überwachung
    8b
    Falls Nein, dann weiter zu Schritt 9
    9
    Melden an ein übergeordnetes System, dass eine der Brennstoffzellen 110, 120, 130 die maximal zulässige Maximaltemperatur Tmax überschreitet, wobei optional eine Zellnummer der Brennstoffzelle übermittelt werden kann, welche die maximal zulässige Maximaltemperatur Tmax überschreitet
    10
    Ansteuern der Kühlvorrichtung zur Kühlung aller Brennstoffzellen 110, 120, 130 oder zumindest der Brennstoffzelle, deren Temperatur oberhalb der Maximaltemperatur Tmax ist
    11
    Ermittlung der Spannungen bzw. Zellspannungen U110, U120, U130 der Brennstoffzellen 110, 120, 130
    12
    Sind alle Zellspannungen U110, U120, U130 größer als ein unterer Spannungsgrenzwert Umin und kleiner als ein oberer Spannungsgrenzwert Umax?
    12a
    Falls Ja, dann weiter zu Schritt 13
    12b
    Falls Nein, dann weiter zu den Schritten 14 und 15
    13
    Alle Zellspannungen U110, U120, U130 im zulässigen Spannungsbereich und somit Betrieb aller Brennstoffzellen 110, 120, 130 innerhalb des Betriebspunkts bzw. Betriebsbereichs
    14
    Melden an das übergeordnete System, dass eine der Brennstoffzellen 110, 120, 130 den unteren Spannungsgrenzwert Umin unterschreitet oder den oberen Spannungsgrenzwert Umax überschreitet
    15
    Ausgabe der Zellnummer der Brennstoffzelle 110, 120, 130 an das übergeordnete System, welche den unteren Spannungsgrenzwert Umin unterschreitet oder den oberen Spannungsgrenzwert Umax überschreitet
    16
    Ansteuern des Brennstoff-Fluidsystems zur Druckerhöhung der Brennstoffzufuhr in der Brennstoffzelle 110, 120, 130, welche den unteren Spannungsgrenzwert Umin unterschreitet oder den oberen Spannungsgrenzwert Umax überschreitet
    17
    Ansteuern des Oxidator-Fluidsystems zur Druckerhöhung der Oxidatorzufuhr in der Brennstoffzelle 110, 120, 130, welche den unteren Spannungsgrenzwert Umin unterschreitet oder den oberen Spannungsgrenzwert Umax überschreitet
    18
    Erhöhung des Drucks des Brennstoff in der Brennstoffzelle 110, 120, 130, welche den unteren Spannungsgrenzwert Umin unterschreitet oder den oberen Spannungsgrenzwert Umax überschreitet
    19
    Erhöhung des Drucks des Oxidators in der Brennstoffzelle 110, 120, 130, welche den unteren Spannungsgrenzwert Umin unterschreitet oder den oberen Spannungsgrenzwert Umax überschreitet

Claims (11)

  1. Überwachungsvorrichtung zur Temperatur- und Spannungsüberwachung eines aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen (110, 120, 130) gebildeten Stacks (100) und der Brennstoffzellen (110, 120, 130) des Stacks (100), welcher zumindest eine erste Brennstoffzelle (110) und eine letzte Brennstoffzelle (130) aufweist, mit einer Vielzahl von Spannungsmessvorrichtungen (111, 121, 131), wobei an jeder Brennstoffzelle (110, 120, 130) des Stacks (100) eine Spannungsmessvorrichtung (111, 121, 131) zur Messung der Spannung (U110, U120, U130) der jeweiligen Brennstoffzelle (110, 120, 130) anordenbar ist, so dass eine Zellspannung (U110, U120, U130) jeder Brennstoffzelle (110, 120, 130) des Stacks (100) erfassbar ist, und mit zumindest zwei Temperaturmessvorrichtungen (112, 122, 132), wobei zumindest an der ersten Brennstoffzelle (110) und an der letzten Brennstoffzelle (130) des Stacks (100) jeweils eine Temperaturmessvorrichtungen (112, 122, 132) zur Messung der Temperatur (T110, T120, T130) der jeweiligen Brennstoffzelle (110, 120, 130) anordenbar ist, so dass zumindest eine Temperatur (T110) der ersten Brennstoffzelle (110) und eine Temperatur (T130) der letzten Brennstoffzelle (130) erfassbar ist.
  2. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Auswerteeinheit (140), welche ausgebildet ist, einen Zustand und eine zu erwartende Lebensdauer der einzelnen Brennstoffzellen (110, 120, 130) des Stacks (100) und/oder des Stacks (100) aus den Zellspannungen (U110, U120, U130) der Brennstoffzellen (110, 120, 130) und den Temperaturen (T110, T120, T130) zumindest der ersten Brennstoffzelle (110) und der letzten Brennstoffzelle (130) zu bestimmen.
  3. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei in die Auswerteeinheit (140) ein weiterer Temperatursensor (142) zur Messung der Temperatur (T140) der Auswerteeinheit (140) und/oder einer Umgebung der Überwachungsvorrichtung integriert ist.
  4. Energieumwandlungssystem mit einer Überwachungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und einem aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen (110, 120, 130) gebildeten Stack (100), welcher zumindest eine erste Brennstoffzelle (110) und eine letzte Brennstoffzelle (130) aufweist, wobei an jeder Brennstoffzelle (110, 120, 130) des Stacks (100) eine Spannungsmessvorrichtung (111, 121, 131) zur Messung der Spannung (U110, U120, U130) der jeweiligen Brennstoffzelle (110, 120, 130) angeordnet ist, so dass eine Zellspannung (U110, U120, U130) jeder Brennstoffzelle (110, 120, 130) des Stacks (100) erfassbar ist, und mit zumindest zwei Temperaturmessvorrichtungen (112, 122, 132), wobei zumindest an der ersten Brennstoffzelle (110) und an der letzten Brennstoffzelle (130) des Stacks (100) jeweils eine Temperaturmessvorrichtungen (112, 122, 132) zur Messung der Temperatur (T110, T120, T130) der jeweiligen Brennstoffzelle (110, 120, 130) angeordnet ist, so dass zumindest eine Temperatur (T110) der ersten Brennstoffzelle (110) und eine Temperatur (T130) der letzten Brennstoffzelle (130) erfassbar ist.
  5. Energieumwandlungssystem nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Überwachungsvorrichtung eine Auswerteeinheit (140) aufweist.
  6. Energieumwandlungssystem nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Energieumwandlungssystem eine Heizvorrichtung aufweist und die Überwachungsvorrichtung ausgebildet ist, die Heizvorrichtung abhängig von zumindest der Temperatur (T110) der ersten Brennstoffzelle (110) und der Temperatur (T130) der letzten Brennstoffzelle (130) anzusteuern, so dass die Brennstoffzellen (110, 120, 130) des Stacks (100) und/oder einzelne Brennstoffzellen (110, 120, 130) des Stacks (100) abhängig von zumindest der Temperatur (T110) der ersten Brennstoffzelle (110) und der Temperatur (T130) der letzen Brennstoffzelle (130) erwärmbar sind, und/oder wobei das Energieumwandlungssystem eine Kühlvorrichtung aufweist und die Überwachungsvorrichtung ausgebildet ist, die Kühlvorrichtung abhängig von zumindest der Temperatur (T110) der ersten Brennstoffzelle (110) und der Temperatur (T130) der letzten Brennstoffzelle (130) anzusteuern, so dass die Brennstoffzellen (110, 120, 130) des Stacks (100) und/oder einzelne Brennstoffzellen (110, 120, 130) des Stacks (100) abhängig von zumindest der Temperatur (T110) der ersten Brennstoffzelle (110) und der Temperatur (T130) der letzen Brennstoffzelle (130) kühlbar sind.
  7. Energieumwandlungssystem nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Energieumwandlungssystem ein Brennstoff-Fluidsystem zur Zuführung eines Brennstoffes in die Brennstoffzellen (110, 120, 130) des Stacks (100) aufweist und die Überwachungsvorrichtung ausgebildet ist, das Brennstoff-Fluidsystem abhängig von den Zellspannungen (U110, U120, U130) der Brennstoffzellen (110, 120, 130) des Stacks (100) anzusteuern, so dass ein Druck und/oder einen Brennstoff-Volumenstrom des durch das Brennstoff-Fluidsystem den Brennstoffzellen (110, 120, 130) zugeführten Brennstoffs steuerbar sind/ist, wobei das Energieumwandlungssystem ein Oxidator-Fluidsystem zur Zuführung eines Oxidationsmittels in die Brennstoffzellen (110, 120, 130) des Stacks (100) aufweist und die Überwachungsvorrichtung ausgebildet ist, das Oxidator -Fluidsystem abhängig von den Zellspannungen (U110, U120, U130) der Brennstoffzellen (110, 120, 130) des Stacks (100) anzusteuern, so dass ein Druck und/oder einen Oxidator-Volumenstrom des durch das Oxidator-Fluidsystem den Brennstoffzellen (110, 120, 130) zugeführten Oxidationsmittels steuerbar sind/ist.
  8. Verfahren zur Steuerung eines Energieumwandlungssystems gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Auswerteeinheit (140) in einem Dauerbetriebsmodus aus den Zellspannungen (U110, U120, U130) der Brennstoffzellen (110, 120, 130) und den Temperaturen (T110, T120, T130) zumindest der ersten Brennstoffzelle (110) und der letzten Brennstoffzelle (130) einen Zustand und eine zu erwartende Lebensdauer der einzelnen Brennstoffzellen (110, 120, 130) des Stacks (100) und/oder des Stacks (100) bestimmt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Auswerteeinheit (140) in einem Initialisierungsmodus die von den zumindest zwei Temperaturmessvorrichtungen (112, 122, 132) erfassten Temperaturen (T110, T120, T130) mit einer vorbestimmten Minimaltemperatur (Tmin) der Brennstoffzellen (110, 120, 130) vergleicht und bei einem Unterschreiten der Temperaturen (T110, T120, T130) unter die Minimaltemperatur (Tmin) die Heizvorrichtung gemäß Anspruch 6 die Brennstoffzellen (110, 120, 130) erwärmend ansteuert.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Auswerteeinheit (140) in dem Dauerbetriebsmodus die von den zumindest zwei Temperaturmessvorrichtungen (112, 122, 132) erfassten Temperaturen (T110, T120, T130) mit einer vorbestimmten Maximaltemperatur (Tmax) der Brennstoffzellen (110, 120, 130) vergleicht und bei einem Überschreiten der Temperaturen (T110, T120, T130) über die Maximaltemperatur (Tmax) die Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 6 die Brennstoffzellen (110, 120, 130) kühlend ansteuert.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Auswerteeinheit (140) in dem Dauerbetriebsmodus die Zellspannungen (U110, U120, U130) jeder der Brennstoffzellen (110, 120, 130) mit einem unteren Spannungsgrenzwert (Umin) und einem oberen Spannungsgrenzwert (Umax) vergleicht und bei einem Überschreiten einer der Zellspannungen (U110, U120, U130) über den oberen Spannungsgrenzwert (Umax) und/oder bei einem Unterschreiten der Zellspannung (U110, U120, U130) unter den unteren Spannungsgrenzwert (Umin) das Brennstoff-Fluidsystem und/oder das Oxidator-Fluidsystem gemäß Anspruch 7 die jeweilige Brennstoffzelle (110, 120, 130) und/oder alle Brennstoffzellen (110, 120, 130) spülend ansteuert.
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