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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zellenüberwachen einer elektrochemischen Zelle oder eines Brennstoffzellenstapels. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Kontaktierung für eine Zellenüberwachung einer elektrochemischen Zelle oder eines Brennstoffzellenstapels.
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Stand der Technik
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In einer Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats z. B. eines Brennstoffzellensystems bspw. eines Brennstoffzellenfahrzeugs erfolgt eine elektrochemische Wandlung zweier Reaktanten zweier Betriebsmedien in elektrische Energie und Wärme. Hierbei umfasst die Brennstoffzelle zumindest eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA: Membrane Electrode Assembly). In der Regel ist die Brennstoffzelle mit einer Vielzahl von in einem Stapel angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten und dazwischen angeordneter Bipolarplatten ausgebildet (Brennstoffzellenstapel bzw. Stack).
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Zur Überwachung, Steuerung und/oder Regelung des Brennstoffzellenstapels ist es von Vorteil, nicht nur die Betriebsparameter des gesamten Brennstoffzellenstapels zu kennen, sondern auch die Betriebsparameter einzelner, und insbesondere jeder einzelnen Brennstoffzelle innerhalb des Brennstoffzellenstapels. Sogenannte CVM-Systeme (CVM: Cell Voltage Monitor(ing)) dienen einer Messung einer Spannung und/oder anderer Betriebsparameter einzelner Brennstoffzellen innerhalb eines Brennstoffzellenstapels, wobei z. B. eine Steckerleiste der Zellenüberwachung mit einer Vielzahl von elektrischen Kontaktvorrichtungen, die einzelnen Bipolarplatten der Brennstoffzelle elektrisch kontaktieren muss. Aufgrund eines sehr geringen Abstands zweier Bipolarplatten im Brennstoffzellenstapel ist deren Kontaktierung aufwändig und daher kostenintensiv.
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Aufgabenstellung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Zellenüberwachen und eine kostengünstige elektrische Kontaktierung für eine Zellenüberwachung eines Brennstoffzellenstapels anzugeben, die ggf. eine Einzelzellenüberwachung des Brennstoffzellenstapels ermöglicht. Hierfür sollen, wenigstens bezüglich ihrer elektrischen Kontaktierung, einheitliche Bipolarplatten für Brennstoffzellenstapel anwendbar sein, wobei z. B. ein Stecken einer Steckerleiste der Zellenüberwachung einfach zu bewerkstelligen sein soll.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung ist durch ein Verfahren zum Zellenüberwachen einer elektrochemischen Zelle oder eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellenaggregats; mittels einer elektrischen Kontaktierung für eine Zellenüberwachung einer elektrochemischen Zelle oder eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellenaggregats; sowie mittels einer Zellenüberwachung, einer elektrochemischen Zelle, einem Brennstoffzellenstapel, einem Brennstoffzellenaggregat und einem Brennstoffzellensystem insbesondere für ein Brennstoffzellenfahrzeug gelöst. - Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind wenigstens im Wesentlichen sämtliche Einzelzellen der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels in wenigstens n gleich zwei Reihen zum getrennten Zellenüberwachen aufgeteilt, wobei in Stapelrichtung der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels, wenigstens im Wesentlichen sämtliche Einzelzellen fortgesetzt alternierend einer der n Reihen zum sich gegenseitig bedingenden Überwachen zugehörig sind, und wobei genau oder wenigstens eine einzige Reihe bis sämtliche n Reihen der Einzelzellen durch eine Zellenüberwachung der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels gemessen wird oder werden. - In den ersten beiden Fällen ist eine Zellenverbundüberwachung und im letzten Fall eine Einzelzellenüberwachung jeweils des gesamten Brennstoffzellenstapels durchführbar.
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Gemäß der Erfindung können eine, zwei, drei, vier, fünf oder mehr (d. h. n gleich n plus eins) Reihen durch die Zellenüberwachung als Zellenverbundüberwachung oder Einzelzellenüberwachung gemessen werden. Hierbei (vgl. a. u.) ist fortgesetzt jede n-te Einzelzelle (jeweils einer der n Reihen) an wenigstens ein betreffendes (n-tes) Verbindungselement und/oder an eine betreffende der n Zellenüberwachungseinheiten (eines eigentlichen Zellenüberwachungsmoduls) der Zellenüberwachung elektrisch angeschlossen. Jede dieser n Reihen ist also mit jeder n-ten Einzelzelle elektrisch verbunden, wobei zwei direkt zueinander benachbarte Reihen, also ggf. unter Auslassung einer (drei Reihen) oder einer Mehrzahl (vier oder mehr Reihen) von Reihen, um jeweils eine einzige Einzelzelle versetzt im Brennstoffzellenstapel durch ihre elektrische Überwachungsverschaltung „eingerichtet“ sind.
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Durch eine betreffende Reihe können fortgesetzt n Einzelzellen miteinander zu Zellengruppierungen, also eine Anordnung von Zellengruppen zu einer Gruppierung als Reihe, elektrisch verschaltet und gemessen werden, wobei bevorzugt bei der betreffenden Reihe im Wesentlichen sämtliche Einzelzellen der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels miteinander elektrisch verschaltet und die Zellengruppen einzeln gemessen werden. Hierbei wird für eine jeweilige bzw. alle der n Reihen jede n-te Polarplatte der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels elektrisch verschaltet und gemessen.
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Die n Reihen können beim Zellenüberwachen auf einen gemeinsamen elektrischen Bezug (common ground) referenzieren. Hierbei bzw. ferner kann ein gemeinsamer elektrischer Bezug der n Reihen durch ein elektrisches Potenzial einer den n Reihen gemeinsamen Polarplatte realisiert werden. Durch den gemeinsamen Bezug können die Messwerte der n Reihen einfach durch Addition/Subtraktion miteinander verrechnet werden, sodass z. B. eine Spannung einer jeden Einzelzelle aus den Messwerten aller n-weise versetzt gemessenen Zellengruppen ermittelt bzw. berechnet werden kann. Bevorzugt ist solch eine gemeinsame Polarplatte eine Endplatte (Monopolarplatte oder Bipolarplatte) des Brennstoffzellenstapels.
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Für ein Zellenüberwachen der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels können die elektrischen Signale der n Reihen von n elektromechanischen Verbindungselementen weitergeleitet werden. Ferner können die elektrischen Signale der n Verbindungselemente an n Zellenüberwachungseinheiten und/oder wenigstens oder genau ein Zellenüberwachungsmodul weitergeleitet werden. Das Zellenüberwachverfahren kann unter Zuhilfenahme einer erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktierung durchgeführt werden.
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Die erfindungsgemäße elektrische Kontaktierung weist elektromechanische Verbindungselemente der Zellenüberwachung auf, wobei die Verbindungselemente mit wenigstens n gleich zwei Reihen von elektrischen Kontaktvorrichtungen von Polarplatten der elektrochemischen Zelle oder dem Brennstoffzellenstapel elektrisch kontaktierbar sind, und derart von der Zellenüberwachung Informationen über Einzelzellen der elektrochemische Zelle oder des Brennstoffzellenstapels erhaltbar sind und/oder erhalten werden.
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Das heißt zum Beispiel, dass die Kontaktierung im Wesentlichen wenigstens n gleich zwei elektrische Kontaktvorrichtungen je Polarplatte (vgl. a. u.) der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels aufweist, wobei wenigstens eine der dadurch entstehenden n Reihen von Kontaktvorrichtungen, von wenigstens einem elektromechanischen Verbindungselement (ggf. von wenigstens n gleich zwei Zellenüberwachungseinheiten) der Zellenüberwachung elektrisch kontaktierbar oder kontaktiert ist.
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Die Verbindungselemente können oder sind mit sämtlichen n Reihen der Kontaktvorrichtungen elektrisch kontaktierbar sein bzw. kontaktiert. Hierdurch ist eine Einzelzellenüberwachung realisierbar. Ferner kann/können oder ist/sind das Verbindungselement / die Verbindungselemente mit höchstens n minus einer Reihe der Kontaktvorrichtungen elektrisch kontaktierbar sein bzw. kontaktiert. Hierdurch ist eine Zellenverbundüberwachung ohne eine Einzelzellenüberwachung realisierbar.
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Die Kontaktvorrichtungen sind zueinander regelmäßig versetzt einer jeweiligen Reihe zugehörig. Hierbei können oder sind über die n Reihen von Kontaktvorrichtungen eine dazu gleiche Anzahl n von Zellengruppierungen der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels überwacht werden bzw. überwachbar. D. h. je Zellenüberwachungseinheit ist eine beliebige Anzahl von Zellengruppen je Zellengruppierung überwachbar.
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Mittels jeweils einer einzigen Reihe von Kontaktvorrichtungen sind fortgesetzt n Einzelzellen jeweils zu Zellengruppen elektrisch zusammenschaltbar und/ oder zusammengeschaltet. Ferner kann jede n-te Polarplatte einer einzigen Reihe von Kontaktvorrichtungen, zwei einander direkt benachbarten Zellengruppen dieser Reihe angehören. Darüber hinaus sind oder können mittels jeweils einer einzigen Reihe der Kontaktvorrichtungen im Wesentlichen sämtliche Zellen als Zellengruppierungen erfassbar bzw. erfasst werden. Hierbei sind natürlich nicht sämtliche Einzelzellen getrennt voneinander erfassbar bzw. werden nicht getrennt voneinander erfasst, sondern lediglich die Zellengruppierungen.
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Hierbei können fortgesetzt Zellengruppen jeweils einer Reihe mit Zellengruppen einer betreffenden anderen Reihe miteinander verschachtelt sein. Bei jeweils zwei untereinander verschachtelten Zellengruppierungen können eine Einzelzelle bis höchstens n minus eins Einzelzellen diesen beiden Zellengruppierungen gemeinsam angehören. Ferner kann bei jeweils zwei untereinander verschachtelten Zellengruppierungen wenigstens eine einzige Einzelzelle bis n minus eins Einzelzellen diesen Zellengruppierungen nicht angehören.
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Bevorzugt referenziert die Zellenüberwachung beim Zellenüberwachen für sämtliche Zellengruppierungen auf einen gemeinsamen elektrischen Bezug. So sind z. B. sämtliche Zellengruppierungen mit einer einzigen gemeinsamen Polarplatte elektrisch verschaltbar und/oder verschaltet. D. h. diese Polarplatte ist sämtlichen Reihen von Zellengruppierungen als gemeinsamer elektrischer Bezug zugehörig. Ferner können im Wesentlichen sämtliche Polarplatten analog zu den n Zellenüberwachungseinheiten wenigstens n gleich zwei Kontaktvorrichtungen aufweisen. Darüber hinaus können die Verbindungselemente n Zellenüberwachungseinheiten und/oder einem Zellenüberwachungsmodul der Kontaktierung zugehörig sein.
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Figurenliste
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Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische und nicht maßstabsgetreue Zeichnung näher erläutert. Bei der Erfindung kann ein Merkmal positiv, d. h. vorhanden, oder negativ, d. h. abwesend, ausgestaltet sein. In dieser Spezifikation ist ein negatives Merkmal als Merkmal nicht explizit erläutert, wenn nicht gemäß der Erfindung Wert daraufgelegt ist, dass es abwesend ist. D. h. die tatsächlich gemachte und nicht eine durch den Stand der Technik konstruierte Erfindung darin besteht, dieses Merkmal wegzulassen. Das Fehlen eines Merkmals (negatives Merkmal) in einem Ausführungsbeispiel zeigt, dass das Merkmal optional ist. - In den lediglich beispielhaften Figuren (Fig.) der Zeichnung zeigen:
- 1 in einem vereinfachten Blockschaltbild eine Ausführungsform eines Brennstoffzellenaggregats für ein Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs, gemäß der Erfindung,
- 2 in einer Seitenansicht einen stark vereinfachten Brennstoffzellenstapel mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Doppel-Kontaktierung durch zwei Zellenüberwachungseinheiten einer Zellenüberwachung, und
- 3 in einer Seitenansicht einen stark vereinfachten Brennstoffzellenstapel mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Dreifach-Kontaktierung der Zellenüberwachung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Zellenüberwachen eines Brennstoffzellenstapels 10 eines Brennstoffzellenaggregats 1, sowie anhand zweier Ausführungsformen (2 und 3) einer elektrischen Kontaktierung 50, 60 (2); 50, 60, 70 (3) für eine Zellenüberwachung eines Brennstoffzellenstapels 10 einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats 1 für ein Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs, d. h. eines Kraftfahrzeugs aufweisend eine Brennstoffzelle bzw. ein Brennstoffzellensystem, näher erläutert.
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In der Zeichnung sind nur diejenigen Abschnitte des Brennstoffzellensystems dargestellt, welche für ein Verständnis der Erfindung notwendig sind. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Ferner kann die Erfindung auf eine elektrochemische Zelle angewendet werden.
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Die 1 zeigt das Brennstoffzellenaggregat 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, mit wenigstens einer, insbesondere einer Mehrzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel 10, ebenfalls als Brennstoffzelle bezeichenbar, gebündelten elektrochemischen Einzel-Brennstoffzellen 11, 11, ... (Einzelzellen 11, 11, ...), die in einem bevorzugt fluiddichten Stapelgehäuse 16 untergebracht sind. Jede Einzelzelle 11 umfasst einen Anodenraum 12 bevorzugt mit einer Gasdiffusionslage (ggf. inkl. einer mikroporösen Partikellage), und einen Kathodenraum 13 bevorzugt mit einer Gasdiffusionslage (ggf. inkl. einer mikroporösen Partikellage), die von einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit 15 räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind. Hierbei sind die Gasdiffusionslagen bevorzugt der Membran-Elektroden-Einheit 15 zugehörig.
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Zwischen zwei direkt zueinander benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten 15, 15 inkl. eines betreffenden Anodenraums 12 und Kathodenraums 13 ist jeweils eine Bipolarplatte 17 (Separatorplatte, Strömungsfeldplatte, Plattenbaugruppe) angeordnet, welche u. a. einer Hinführung/Abführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 11 und einen Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 11 dient und darüber hinaus eine elektrisch leitende Verbindung zwischen diesen Einzelzellen 11, 11 realisiert.
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Zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 10 mit seinen eigentlichen Betriebsmedien 3 (Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff), 5 (Kathoden-Betriebsmedium, meist Luft) weist das Brennstoffzellenaggregat 1 eine Anodenversorgung 20 und eine Kathodenversorgung 30 auf. - Die Anodenversorgung 20 umfasst insbesondere: einen Brennstoffspeicher 23 für das Anoden-Betriebsmedium 3 (hinströmend); einen Anoden-Versorgungspfad 21 mit einen Ejektor 24; einen Anoden-Abgaspfad 22 für ein Anoden-Abgasmedium 4 (abströmend, meist in die Umgebung 2); bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 mit einer darin befindlichen Fluid-Fördereinrichtung 26 und ggf. einen Wasserabscheider.
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Die Kathodenversorgung 30 umfasst insbesondere: einen Kathoden-Versorgungspfad 31 für das Kathoden-Betriebsmedium 5 (hinströmend, meist aus der Umgebung 2), mit bevorzugt einer Fluid-Fördereinrichtung 33; einen Kathoden-Abgaspfad 32 für ein Kathoden-Abgasmedium 6 (abströmend, meist in die Umgebung 2) mit bevorzugt einer Turbine 34, ggf. der eines Abgasturboladers; bevorzugt einem Feuchteübertrager 36; ggf. einem Wastegate 35 zwischen dem Kathoden-Versorgungspfad 31 und dem Kathoden-Abgaspfad 22; und ggf. einen Wasserabscheider.
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Das Brennstoffzellenaggregat 1 umfasst ferner insbesondere eine Kühlmediumversorgung 40, durch welche hindurch die Brennstoffzelle bevorzugt mittels ihrer Bipolarplatten 17 (Kühlmediumpfade 42) in einen Kühlkreislauf wärmeübertragend zum Temperieren einbindbar ist. Die Kühlmediumversorgung 40 umfasst einen Kühlmedium-Zulaufpfad 41 und einen Kühlmedium-Ablaufpfad 43. Eine Förderung des in der Kühlmediumversorgung 40 zirkulierenden Kühlmediums 7 (hinströmend), 8 (abströmend) erfolgt bevorzugt mittels wenigstens einer Kühlmedium-Fördereinrichtung 44. - Das Brennstoffzellensystem umfasst neben dem Brennstoffzellenaggregat 1 periphere Systemkomponenten, wie z. B. ein Steuergerät, welches eines des Brennstoffzellenfahrzeugs selbst sein kann.
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Eine jede Einzelzelle 11 eines Brennstoffzellenstapels 10 hat eine Abmessung von ca. einem Millimeter in ihrer Dicke. Da ein Brennstoffzellenstapel 10 aus einer Vielzahl von Einzelzellen 11, 11, ... (mehrere hundert) bestehen kann, ist es sehr schwierig, jede Einzelzelle 11 für z. B. eine Spannungsmessung z. B. einer Einzelzellenüberwachung über ihre Bipolarplatten 17 elektrisch zu kontaktieren. Aufgrund des sehr geringen Abstands zweier Einzelzellen 11, 11, ... ist die Kontaktierung der Bipolarplatten 17 während eines Montagevorgangs des Brennstoffzellenstapels 10 aufwändig, fehleranfällig und daher kostenintensiv.
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Durch eine Kontaktierung von fortgesetzt jeweils zwei oder mehr zueinander direkt benachbarten Einzelzellen 11, 11, ... in sogenannten Verbünden kann diesem Problem begegnet werden. Hierdurch wird für die elektrische Kontaktierung der Spannungsmessung der Zellenüberwachung mehr Bauraum zur Verfügung gestellt. Jedoch ist eine Auflösung der Spannungsmessung bei Zellenverbünden, also einer Gesamtspannungsmessung von fortgesetzt jeweils zwei oder mehr Einzelzellen 11, 11, ... zusammen, deutlich geringer als bei einer Spannungsmessung von Einzelzellen 11, 11, ....
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Die im Folgenden erläuterte Erfindung ermöglicht eine elektrische Kontaktierung jeder Einzelzelle 11 innerhalb eines Brennstoffzellenstapels 10 mit ausreichend Bauraum und einer gleichzeitig kostengünstigen Gestaltung einer elektrischen Kontaktierung 50, 60; 50, 60, 70; ... einer Zellenüberwachung. Somit kann sowohl eine Genauigkeit und Auflösung einer Spannungsmessung und/oder einer dazu analogen Messung, als auch ein Bauraumvorteil für insbesondere die Montage der Kontaktierung bei einer gleichzeitig kostengünstigen Gestaltung der Zellenüberwachung realisiert werden.
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Die 2 zeigt beispielhaft die erste Ausführungsform der Erfindung, wobei ein elektrisches Kontaktierungsschema einer Doppelreihen-Kontaktierung mit je zwei elektrischen Kontaktvorrichtungen 52, 62 je Bipolarplatte 17, 18 dargestellt ist, mittels welchem jede Einzelzelle 11 des Brennstoffzellenstapels 10 elektrisch kontaktierbar ist. Die Kontaktierung erfolgt dabei an n gleich zwei räumlich separierten Reihen 51, 61 des Brennstoffzellenstapels 10. Hierbei wird/ist immer jede zweite Einzelzelle 11 in einer Reihe 51/61 an ein Verbindungselement 75/76 der Zellenüberwachung und darüber an eine von n gleich zwei räumlich separierten Zellenüberwachungseinheiten 91/92 der Zellenüberwachung angeschlossen.
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Jede Reihe 51, 61 ist mit jeder zweiten Einzelzelle 11 gleichsinnig bzw. gleichseitig verbunden, und beide Reihen 51, 61 sind um jeweils eine Einzelzelle 11 versetzt an den Brennstoffzellenstapel 10 elektrisch angeschlossen. Wie in 2 erkennbar ist, kann in der rechten Reihe 51 nicht konsequent nur jede zweite Einzelzelle 11 kontaktiert werden/sein. Die unterste bzw. erste Einzelzelle 11 des Brennstoffzellenstapels 10 wird/ist in beide Reihen 51, 61 einbezogen. Durch solch einen gemeinsamen elektrischen Bezug können die Messwerte beider Reihen 51, 61 miteinander verrechnet werden, sodass die Spannung jeder Einzelzelle 11 aus den Messwerten aller paarweise versetzt gemessenen Zellengruppierungen 57/57/...; 67/67/... (also: Anordnung von Zellengruppen 57, 67 zu zwei Reihen (Pos.: 57, 57, ... & Pos.: 67, 67, ...)) im Wesentlichen exakt ermittelt werden kann.
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Gemäß der Erfindung können einheitliche, baugleiche Einzelzellen 11, 11, ... bzw. Bipolarplatten 17 sowie einheitliche, baugleiche Verbindungselemente 75, 76 und ggf. einheitliche, baugleiche Zellenüberwachungseinheiten 91, 92 verwendet werden/sein. Dabei wird an jeder Bipolarplatte 17 abwechselnd eine elektrische Kontaktierung angebracht. Die beiden Verbindungselemente 75, 76 und ggf. Zellenüberwachungseinheiten 91, 92 können mit einem zentralen Zellenüberwachungsmodul 100 der Zellenüberwachung kommunizieren, welche eine Berechnung der Spannungen der Einzelzellen 11, 11, ... vornimmt.
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Es ist möglich, dass lediglich zwei separate Kontaktierungen (ein- oder mehrteilige Verbindungselemente 75, 76, z. B ein- oder mehrteilige Kontaktleisten 75, 76) verwendet werden, welche an das zentrale Zellenüberwachungsmodul 100 angeschlossen werden. D. h. die Zellenüberwachungseinheiten 91, 92 können ggf. weggelassen werden. Selbst dies beinhaltet alle Vorteile der Erfindung, insbesondere den Bauraumvorteil und die Kostenersparnis.
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Es ist natürlich ebenfalls möglich, die Einzelzellen 11, 11, ... des Brennstoffzellenstapels 10 in Analogie zur 2 in mehr als zwei versetzten Reihen 51, 61, wie z. B. in der 3 gezeigt, in drei versetzten Reihen 51, 61, 71 elektrisch zu kontaktieren und die Einzelzellen 11, 11, ... in Zellengruppierungen 57/57/...; 67/67/...; 77/77/... zu je drei Einzelzellen 11, 11, ... aufzuteilen. Dementsprechend weisen die Bipolarplatten 17, 18 jeweils drei elektrische Kontaktvorrichtungen 52, 62 auf, die im Brennstoffzellenstapel 10 zu den Reihen 51, 61, 71 organsiert sind.
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Damit kann der zuvor beschriebene Bauraumvorteil weiter ausgebaut werden, wobei die Vorteile einer einheitlichen modularen Zellenüberwachung erhalten bleiben. Auch hier ist es möglich, dass jede Reihe 51, 61, 71 mit der z. B. untersten bzw. ersten Einzelzelle 11 elektrisch verbunden wird, auch wenn dadurch Zellengruppen 57, 67, 77 in den Reihen 51, 61, 71 existieren, welche weniger als drei Einzelzellen 11, 11, ... umfassen. - Dieses Konzept kann natürlich auf n gleich vier oder mehr Reihen erweitert werden,
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Ist eine Einzelzelle 11 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 fehlerhaft (auch ggf.: defekt) oder mit Brennstoff oder Oxidationsmittel unterversorgt, d. h. treten zu geringe Spannungswerte auf, so kann dies gemäß der Erfindung erkannt werden. Hierbei muss lediglich aus den einzelnen Spannungsmesswerten der Zellengruppen 57, 67 (2); 57, 67, 77 (3); ... die Spannung der Einzelzellen 11, 11, ... berechnet werden. Eine betreffende fehlerhafte Einzelzelle 11 lässt sich durch einen einfachen Vergleich mit den anderen Einzelzellen 11, 11, ... identifizieren. Dazu genügt eine Berechnung welche lediglich Additionen und Subtraktionen umfasst.
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Es ist aber auch möglich, dass mit Hilfe eines einfachen Vergleichs eine betreffende Einzelzelle 11 eindeutig identifiziert wird. Da die fehlerhaft arbeitende Einzelzelle 11 in mehreren Zellengruppen 57, 67; 57, 67, 77; ... inbegriffen ist, hat ihre reduzierte Spannung Einfluss auf mehrere Messwerte der entsprechenden Zellengruppen 57, 67; 57, 67, 77; .... Sämtliche Zellengruppen 57, 67; 57, 67, 77; .. in den separaten Reihen 51, 61; 51, 61, 71; ..., welche die betreffende Einzelzelle 11 mit reduzierter Spannung beinhalten, zeigen einen deutlich geringeren Spannungsmesswert als die anderen Zellengruppen 57, 67; 57, 67, 77; ....
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Für jede Einzelzelle 11 kann gemäß der Erfindung eine eindeutige Kombination aus Zellengruppen 57, 67; 57, 67, 77; ... angegeben werden, welche diese Einzelzelle 11 aufweisen bzw. beinhalten. Auf diese Weise ist eine eindeutige Lokalisierung von korrekt arbeitenden und ggf. fehlerhaften Einzelzellen 11, 11, ... möglich. - Neben einer Messung der Spannung der Zellengruppen 57, 67; 57, 67, 77; ..., können auch ein Widerstand bzw. ein flächenspezifischer Widerstand und/oder eine Impedanz der Zellengruppen 57, 67; 57, 67, 77; ... ermittelt werden. - Anhand einer elektrischen Kontaktierung eines Brennstoffzellenstapels 10 kann ein einfacher Aufweis der Erfindung erfolgen.
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Eine erfindungsgemäße Polarplatte 17, 18 (vgl. 2 und 3), insbesondere eine Monopolarplatte 18 oder eine Bipolarplatte 17, 18, weist für eine Zellenüberwachung einer elektrochemischen Zelle oder eines Brennstoffzellenstapels 10, wenigstens n gleich zwei elektrische Kontaktvorrichtungen 52, 62; 52, 62, 72; ... derart auf, dass die Polarplatte 17, 18 durch ihre n Kontaktvorrichtungen 52, 62; 52, 62, 72; ... von jeweils einem elektromechanischen Verbindungselement 75, 76; ... in der elektrochemischen Zelle oder im Brennstoffzellenstapel 10 von wenigstens n gleich zwei Zellenüberwachungseinheiten 91, 92; ... der Zellenüberwachung elektrisch kontaktierbar ist. Hierbei ist n eine ganze Zahl größer oder gleich zwei, wobei n gleich insbesondere zwei, bevorzugt drei, vier, fünf oder höher sein kann.
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Ein Verbindungselement 75, 76; ... der Zellenüberwachung kann z. B. als ein Stecker 75, 76; ..., eine Steckerleiste 75, 76; ... etc. ausgebildet sein. Eine Zellenüberwachungseinheit 91, 92; ... der Zellenüberwachung kann dabei, neben wenigstens einem Verbindungselement 75, 76; ..., eine oder eine Mehrzahl von Leiterplatten (flexibel und/oder starr) sowie ggf. wenigstens eine elektronische Schaltung aufweisen. Ferner kann die (eigentliche) Zellenüberwachung derart ausgebildet sein, dass sie Spannungen, Widerstände bzw. flächenspezifische Widerstände und/oder Impedanzen ermitteln und somit überwachen kann.
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Ausgehend von der betreffenden Kontaktvorrichtung 52, 62; 52, 62, 72; ... der jeweilig in der elektrochemischen Zelle oder im Brennstoffzellenstapel 10 verbauten Polarplatte 17, 18, gelangt ein eine Information, insbesondere ein Potenzial, repräsentierendes Signal dieser Polarplatte 17, 18 über das Verbindungselement 75, 76; ... zur betreffenden Zellenüberwachungseinheit 91, 92; .... Hier kann das Signal ggf. aufbereitet werden und weiter an ein Zellenüberwachungsmodul 100 der Zellenüberwachung gesendet werden. In einem elektronischen Teil des Zellenüberwachungsmoduls 100 wird das originale oder aufbereitete Signal wie z. B. von einem Kunden gewünscht weiterverarbeitet.
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Die betreffende Kontaktvorrichtung 52, 62; 52, 62, 72; ... kann als eine in eine Ebene der Polarplatte 17, 18 hineingehende Kontaktvorrichtung 52, 62; 52, 62, 72; ... ausgebildet sein. Des Weiteren kann die betreffende Kontaktvorrichtung 52, 62; 52, 62, 72; ... als eine Öffnung, eine Buchse, ein Pin oder ein Tab ausgebildet sein. Darüber hinaus kann die betreffende Kontaktvorrichtung 52, 62; 52, 62, 72; ... stofflich einstückig mit der Polarplatte 17, 18 verbunden oder integral mit der Polarplatte 17, 18 ausgebildet sein. Für den Fall einer Monopolarplatte 18 kann die betreffende Kontaktvorrichtung 52, 62; 52, 62, 72; ... einen Abschnitt der Kontaktvorrichtung 52, 62; 52, 62, 72; ... für eine Bipolarplatte 17, 18 konstituieren.
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Bevorzugt sind die n Kontaktvorrichtungen 52, 62; 52, 62, 72; ... selbst derart ausgebildet, dass sie extra als solche an/in der Polarplatte 17, 18 eingerichtet sind, d. h. die betreffende Kontaktvorrichtung 52, 62; 52, 62, 72; ... ist nicht, auch nicht unter Zuhilfenahme eines zusätzlichen Bauteils, als eine Fläche und/oder ein Rand der Polarplatte 17, 18 ausgebildet. Gemäß der Erfindung sind die n Kontaktvorrichtungen 52, 62; 52, 62, 72; ... derart weit auseinander an/in der Polarplatte 17, 18 vorgesehen, dass diese nicht von einem einzelnen Verbindungselement 75, 76; ... der Zellenüberwachung elektrisch kontaktierbar sind.
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Die Kontaktvorrichtungen 52, 62; 52, 62, 72; ... können derart räumlich getrennt voneinander an/in der Polarplatte 17, 18 vorgesehen sein, dass diese prinzipiell von den n Verbindungselementen 75, 76; ... der n Zellenüberwachungseinheiten 91, 92; ... kontaktiert werden können. Die Polarplatte 17, 18 kann von einer oder genau einer der Verbindungselemente 75, 76; ... in der elektrochemischen Zelle oder im Brennstoffzellenstapel 10 elektrisch kontaktiert werden. Ferner kann die Polarplatte 17, 18 in Stapelrichtung der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels 10 mit jeder n-ten Polarplatte 17, 18 an die betreffende Zellenüberwachungseinheit 91, 92; ... elektrisch angeschlossen werden.
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Die Zellenüberwachung kann dabei als eine Einzelzellenüberwachung oder eine Zellenverbundüberwachung für die elektrochemische Zelle oder den Brennstoffzellenstapel 10 ausgebildet sein. Die Polarplatte 17, 18 kann genau n gleich: zwei 52, 62, drei 52, 62, 72, vier oder fünf Kontaktvorrichtungen 52, 62; 52, 62, 72; ... aufweisen. Ferner kann wenigstens eine Kontaktvorrichtung 52, 62; 52, 62, 52, 72; ... elektrisch isoliert und/oder mechanisch blockiert sein. D. h. bei n Kontaktvorrichtungen 52, 62; 52, 62, 52, 72; ... je Polarplatte 17, 18 können z. B. n minus eins Kontaktvorrichtungen 52, 62; 52, 62, 52, 72; ... elektrisch isoliert und/oder mechanisch blockiert sein, bzw. je Polarplatte 17, 18 ist bevorzugt lediglich eine einzige Kontaktvorrichtung 52, 62; 52, 62, 52, 72; ... von dem betreffenden Verbindungselement 75, 76; ... elektromechanisch kontaktierbar.
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Die 2 und 3 zeigen zwei Möglichkeiten, wie mittels eines modular aufgebauten Zellenüberwachungskonzepts sämtliche Zellspannungen und/oder dazu analoge Messwerte eines Brennstoffzellenstapels 10 elektrisch abgegriffen und gemessen werden können. Dabei ist trotz der Kontaktierung jeder Einzelzelle 11 ausreichend Bauraum für eine Fertigung und eine Montage vorhanden. Gleichzeitig kann die Zellenüberwachung, welche in modularen Einheiten ausgebildet sein kann, kostengünstig umgesetzt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Kontaktierung als wenigstens ein modulares Element umgesetzt sein, während die Zellenüberwachung alle einzelnen Module der Kontaktierung aufnimmt. Hierbei kann das erfindungsgemäße Zellenüberwachungskonzept sowohl als Einzelzellenüberwachungskonzept oder ggf. auch als ein Zellenverbundkonzept mit zwei oder mehr Einzelzellen 11, 11, ... je Zellengruppen 57, 67; 57, 67, 77; ... realisiert werden.
