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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 eines Brennstoffzellenstapels ist es von Vorteil nicht nur die Parameter des gesamten Brennstoffzellenstapels zu kennen, sondern auch wenigstens einen einer jeder einzelnen Brennstoffzelle (Einzelzelle) innerhalb des Brennstoffzellenstapels. Hierfür kommen sogenannte CVM-Systeme (Zellenüberwachungen, CVM: Cell Voltage Monitor(ing)) zum Einsatz. - Da bereits geringste Schädigungen in einer Einzelzelle mit einer exponentiellen Geschwindigkeit in ihren Ausmaßen anwachsen können, ist es von großer Wichtigkeit, eine Fehlfunktion einer betroffenen Einzelzelle frühzeitig zu erkennen, um einer weiteren Schädigung dieser Einzelzelle entgegenwirken zu können.
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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. Durch das Zellenüberwachverfahren und/oder mittels der Kontaktierung soll ein frühzeitiges Erkennen einer bevorstehenden Schädigung eines Zellabschnitts des Brennstoffzellenstapels, also einer Einzelzelle, eines Zellverbunds (vgl. u.) und/oder einer Zellengruppe (vgl. u.), möglich sein.
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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, eines Brennstoffzellenstapels, eines Brennstoffzellenaggregats und eines Brennstoffzellensystems 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 Zellenüberwachverfahren werden durch eine Zellenüberwachung der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels, Zellabschnitte der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels anhand der durch die Zellabschnitte erzeugten elektrischen Spannungen überwacht, wobei eine Abtastfrequenz der Zellenüberwachung für die Zellabschnitte, von einer Wahrscheinlichkeit einer Fehlfunktion eines betreffenden Zellabschnitts in der elektrochemischen Zelle oder im Brennstoffzellenstapels abhängt. Ein Wert für eine Wahrscheinlichkeit einer Fehlfunktion eines betreffenden Zellabschnitts beruht z. B. auf Erfahrungswerten mit elektrochemischen Zellen bzw. Brennstoffzellenstapeln im allgemeinen, auf wenigstens einem Erfahrungswert mit elektrochemischen Zellen bzw. Brennstoffzellenstapeln im besonderen (spezieller Typ), eine Einsatzbedingung, einer Einbaubausituation, einer Umweltbedingung etc..
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Aufgrund der Erfindung - einer Realisierung einer selektiv-engmaschigen Zellenüberwachung - ist die elektrochemischen Zelle oder der Brennstoffzellenstapel nicht nur derart betreibbar, dass sich eine beginnende Fehlfunktion einer Einzelzelle bzw. eines Zellabschnitts, durch eine entsprechende, darauf hin zu etablierende Betriebsstrategie, nicht zu einer größeren Fehlfunktion der Einzelzelle bzw. des Zellabschnitts, bis hin zu einem Ausfall der bzw. einer Einzelzelle auswächst. Sondern darüber hinaus ist es gemäß der Erfindung möglich, dass bei Indizien, die auf eine mögliche, beginnende Fehlfunktion einer Einzelzelle bzw. eines Zellabschnitts hindeuten, in einer zeitlichen Folge eine Betriebsstrategie derart zu etablieren, dass sich die mögliche, beginnende Fehlfunktion der Einzelzelle bzw. des Zellabschnitts nicht oder erst später zu einer beginnenden Fehlfunktion auswächst.
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Die Abtastfrequenz der Zellenüberwachung kann in Abhängigkeit einer Position eines und/oder des betreffenden Zellabschnitts in der elektrochemischen Zelle oder im Brennstoffzellenstapels gewählt werden. Ferner kann die Abtastfrequenz in Abhängigkeit eines im Wesentlichen aktuellen Parameters eines und/oder des betreffenden Zellabschnitts gewählt werden. Darüber hinaus kann die Abtastfrequenz in Abhängigkeit eines Parameters aufgrund einer Validierung eines und/oder des betreffenden Zellabschnitts gewählt werden. D. h. also einer Nachweisführung, dass der betreffende Zellabschnitt seine Praxisanforderungen hauptsächlich oder im Wesentlichen erfüllt. Die Validierung kann dabei abseits eines herkömmlichen Betriebs der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels erfolgen. Des Weiteren kann die Abtastfrequenz in Abhängigkeit eines im Wesentlichen aktuellen Parameters für die / der gesamten elektrochemischen Zelle oder für den / des gesamten Brennstoffzellenstapels gewählt werden. Hierunter fallen z. B. aktuelle Bedingungen, die durch die Außenwelt hervorgerufen sind, was z. B. bei einer kalten Inbetriebnahme der elektrochemischen Zelle oder einem Kaltstart Brennstoffzellenstapels eine signifikante Rolle spielen kann.
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Durch die Zellenüberwachung kann wenigstens ein Zellabschnitt in einem Endabschnitt der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels mit einer höheren Abtastfrequenz überwacht werden, als ein Zellabschnitt in einem Mittenabschnitt der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels. Ferner kann durch die Zellenüberwachung bei einer signifikanten Abweichung eines Parameters eines Zellabschnitts gegenüber einem für diesen Zellabschnitt auftretenden Normalparameter, durch die Zellenüberwachung eine höhere Abtastfrequenz für diesen Zellabschnitt eingerichtet werden. Des Weiteren kann durch die Zellenüberwachung bei einer signifikanten Abweichung eines Parameters eines ersten Zellabschnitts gegenüber wenigstens eines anderen zweiten Zellabschnitts, durch die Zellenüberwachung eine höhere oder niedrigere Abtastfrequenz für diesen ersten Zellabschnitt eingerichtet werden.
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Solch ein Parameter kann z. B. eine Lastanforderung, eine Temperatur etc. und/ oder ein Gradient davon sein. Natürlich ist als Parameter auch eine elektrische Spannung, ein elektrischer Strom und/oder ein elektrischer Widerstand eines Zellabschnitts anwendbar. Ferner kann solch ein Parameter auch eine Kombination aus Parametern, wie z. B. den eben genannten sein. - Im Rahmen der signifikanten Temperaturabweichung ist insbesondere auf einen Betriebszustand der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels abzustellen und jeweils insbesondere auf eine Temperaturabweichung nach oben zu achten.
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Ein Zellabschnitt und/oder ein betreffender Zellabschnitt kann als eine Einzelzelle (vgl. 2), ein Zellverbund (vgl. 3 bis 9) oder eine Zellengruppe (vgl. 10 und 1 1).ausgebildet sein. Hierbei unterscheidet sich ein Zellverbund von einer Zellengruppe dadurch, dass die Einzelzellen eines Zellverbunds nicht einem weiteren Zellverbund, also einer Zellengruppe angehören. Bei einer Zellengruppe kann es immer wenigstens eine Einzelzelle geben, die nicht nur zu dieser Zellengruppe, sondern gleichzeitig auch noch einer anderen Zellengruppe angehört (Verschachtelung der Einzelzellen zu Zellengruppen).
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Eine Wahrscheinlichkeit einer Fehlfunktion kann durch einen Spannungsverlust, einen Spannungseinbruch oder eine Spannungsspitze des betreffenden Zellabschnitts gegenüber einer Referenzspannung diagnostiziert werden. Die Referenzspannung ist dabei z. B. eine üblicherweise für einen betreffenden Betriebszustand der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels auftretende elektrische Spannung, eine zu erwartende Spannung im Rahmen einer Validierung der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels etc. In Ausführungsbeispielen können Zellabschnitte, insbesondere elektrisch unterschiedlich miteinander verschaltete Zellabschnitte zeitlich versetzt abgetastet werden. Hierbei sind gleiche oder unterschiedliche Abtastfrequenzen anwendbar.
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- Das Zellenüberwachverfahren kann unter Zuhilfenahme einer erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktierung durchgeführt werden.
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Durch eine elektrische Kontaktierung der Zellenüberwachung können wenigstens im Wesentlichen sämtliche Einzelzellen der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels elektrisch kontaktiert sein. Hierbei können die zu überwachenden Zellabschnitte durch die Zellenüberwachung elektronisch ausgewählt sein und/oder werden (siehe z. B. 2). Dies kann durch eine Software auch während eines Betriebs der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels flexibel angepasst erfolgen (vgl. u.).
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Ferner kann durch eine elektrische Kontaktierung der Zellenüberwachung lediglich ein Anteil der Einzelzellen der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels elektrisch kontaktiert sein (siehe z. B. 3 bis 9). Solch eine Konfiguration ermöglicht eine Flexibilität beim Zellenüberwachen, wobei nicht sämtliche Polarplatten mit der Zellenüberwachung physisch kontaktiert sein müssen (Bauraumvorteil für Kontaktierung, kostengünstige Gestaltung). Hierbei können einerseits die zu überwachenden Zellabschnitte je nach einem Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels durch eine Software konfiguriert sein/werden, und andererseits können diese ggf. flexibel zu organisierenden Zellabschnitte gemäß der Erfindung überwacht, d. h. mit einer individuellen Abtastrate abgetastet, werden.
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Des Weiteren können wenigstens im Wesentlichen sämtliche Einzelzellen der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels in wenigstens n gleich zwei Reihen zum getrennten Zellenüberwachen aufgeteilt sein (siehe z. B. 10 und 11). Solch eine Konfiguration erlaubt ebenfalls eine große Flexibilität beim Zellenüberwachen, wobei jedoch nicht immer einander direkt benachbarte Polarplatten mit der Zellenüberwachung physisch kontaktiert sein müssen (Bauraumvorteil für Kontaktierung, kostengünstige Gestaltung). Wie oben auch, können hierbei einerseits die zu überwachenden Zellabschnitte je nach einem Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels durch eine Software konfiguriert sein/werden, und andererseits können diese ggf. flexibel zu organisierenden Zellabschnitte gemäß der Erfindung überwacht, d. h. mit einer veränderlichen Abtastrate abgetastet, werden.
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Hierbei können in (einer) Stapelrichtung der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels wenigstens im Wesentlichen sämtliche Einzelzellen fortgesetzt alternierend einer der n Reihen zum sich gegenseitig bedingenden Überwachen zugehörig sein. Hierbei kann genau oder wenigstens eine einzige Reihe bis n Reihen der Einzelzellen durch eine Zellenüberwachung der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels gemessen werden. - In den ersten beiden Fällen ist eine Zellenverbundüberwachung und im letzten Fall eine Einzelzellenüberwachung jeweils des gesamten Brennstoffzellenstapels durchführbar.
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Es 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 Zellengruppen elektrisch verschaltet und gemessen werden, wobei bevorzugt bei der betreffende 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 z. B. unter Zuhilfenahme einer erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktierung durchgeführt werden (vgl. u. 10 und 11).
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Die erfindungsgemäße elektrische Kontaktierung umfasst elektromechanische Kontaktvorrichtungen einer Vielzahl von Bipolarplatten, welche elektrochemische Einzelzellen der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels begrenzen. Gemäß der Erfindung sind die Kontaktvorrichtungen für eine Zellenüberwachung physisch in wenigstens zwei Kontaktierungsblöcke mit jeweils wenigstens einem Zellabschnitt der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels elektrisch zusammengeschaltet, wobei in einem Zellabschnitt eines Kontaktierungsblocks wenigstens eine Einzelzelle elektrisch mehr zusammengeschaltet ist, als in einem Zellabschnitt eines anderen Kontaktierungsblocks.
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Ein einzelner Zellabschnitt kann als eine einzelne Einzelzelle, als ein einfacher Zellverbund wenigstens zweier Einzelzellen (vgl. 3 bis 9) oder als eine mit einer anderen Zellengruppe ineinandergreifende bzw. verzahnte Zellengruppe mit einer Vielzahl von Einzelzellen (vgl. 10 und 11) ausgebildet sein. - Ein einzelner Kontaktierungsblock kann ausschließlich gleiche Zellabschnitte umfassen. Ferner kann ein einzelner Kontaktierungsblock wenigstens zwei unterschiedliche Zellabschnitte umfassen. Hierbei kann ein einzelner Kontaktierungsblock selbst symmetrisch oder asymmetrisch in der Kontaktierung eingerichtet sein. Ferner können zwei Kontaktierungsblöcke zueinander symmetrisch oder asymmetrisch in der Kontaktierung eingerichtet sein.
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Ferner kann die Kontaktierung einen Abschnitt der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels aufweisen, welcher keinen Kontaktierungsblock umfasst. Eine Gesamtspannung solch eines „Kontaktierungsblocks“ ist über die angrenzenden Kontaktierungsblöcke bestimmbar. Ein Übergang zu einem Zellverbund mit einer Vielzahl von Einzelzellen ist dabei natürlich fließend.
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In einem Kontaktierungsblock wenigstens eines Endabschnitts können wenigstens im Wesentlichen sämtliche oder ein Teil der Zellverbünde als Einzelzellen konfiguriert sein. Dies betrifft insbesondere die beiden einzigen Endabschnitte. Ferner können wenigstens im Wesentlichen sämtliche Zellverbünde eines/des Kontaktierungsblocks in einem/dem betreffenden Endabschnitt gleich konfiguriert sein. Des Weiteren können wenigstens zwei Zellverbünde eines/des Kontaktierungsblocks in einem/dem betreffenden Endabschnitt unterschiedlich konfiguriert sein.
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In einem Kontaktierungsblock eines Mittenabschnitts können wenigstens im Wesentlichen sämtliche oder ein Teil der Zellverbünde jeweils als eine Mehrzahl von Einzelzellen konfiguriert sein. Hierbei sind jeweils zwei, drei, vier, fünf oder sechs Einzelzellen je Zellverbund bevorzugt. Ferner können wenigstens im Wesentlichen sämtliche Zellverbünde eines/des Kontaktierungsblocks in einem/dem betreffenden Mittenabschnitt gleich konfiguriert sein. Darüber hinaus können wenigstens zwei Zellverbünde eines/des Kontaktierungsblocks in einem/dem betreffenden Endabschnitt unterschiedlich konfiguriert sein.
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Die elektrische Kontaktierung kann genau: einen oder zwei Endabschnitte und eine dazu korrespondierende Anzahl von Kontaktierungsblöcken aufweisen. Ferner können die zwei Endabschnitte symmetrisch oder asymmetrisch bezüglich einer Mittellage der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels eingerichtet sein. Des Weiteren kann ein Kontaktierungsblock eines Endabschnitts: ca. 5, ca. 10, ca. 15, ca. 20, ca. 25, ca. 30, ca. 35 ca. 40 oder ca. 50 Zellverbünde, insbesondere Einzelzellen, aufweist.
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Die Kontaktierung kann genau: einen, zwei, drei oder vier Mittenabschnitte und eine dazu korrespondierende Anzahl von Kontaktierungsblöcken aufweisen. Ferner kann ein zentraler Mittenabschnitt symmetrisch oder asymmetrisch bezüglich einer Mittellage der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels eingerichtet sein. Im ersten Fall ist der Mittenabschnitt, natürlich geometrisch betrachtet, auf sich selbst abbildbar. Des Weiteren können zwei Mittenabschnitte symmetrisch oder asymmetrisch bezüglich einer Mittellage der elektrochemischen Zelle oder des Brennstoffzellenstapels eingerichtet 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:
- Die 1 in einem vereinfachten Blockschaltbild eine Ausführungsform eines Brennstoffzellenaggregats für ein Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs, gemäß der Erfindung,
- die 2 bis 11 jeweils in einer Seitenansicht einen stark vereinfachten Brennstoffzellenstapel, mit erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktierungen für eine Zellenüberwachung des Brennstoffzellenstapels.
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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 von Ausführungsbeispielen dreier Ausführungsformen (2, 3 bis 9 (Pos. 110), 10 und 11 (Pos. 50, 60; 50, 60, 70)) einer elektrischen Kontaktierung (300) - 110 - 50, 60; 50, 60, 70 für eine Zellenüberwachung einer elektrochemischen Zelle oder eines Brennstoffzellenstapels 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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Zur Überwachung, Steuerung und/oder Regelung von Brennstoffzellenstapeln 10 kommen sogenannte CVM-Systeme zum Einsatz. Solch eine Zellenüberwachung dient einer Messung einer elektrischen Spannung und ggf. einer Berechnung wenigstens eines anderen Parameters der Einzelzellen 11, 11, ... innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10, wobei z. B. eine Steckerleiste einer Zellenüberwachung des Brennstoffzellenstapels 10 mit einer Vielzahl von elektromechanischen Kontaktvorrichtungen 52 (2 bis 9); 52, 62 (10); 52, 62, 72 (11) die einzelnen Bipolarplatten 17 elektrisch kontaktiert.
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Das Messen der Spannungen der Einzelzellen 11, 11, ... kann dazu beitragen, dass eine beginnende Fehlfunktion einer bestimmten Einzelzelle 11 frühzeitig erkannt wird und dieser in einer zeitlichen Folge begegnet werden kann. Dies trägt dazu bei, die Lebensdauer des gesamten Brennstoffzellenstapels 10 zu erhöhen. - Da bereits geringste Schädigungen in einer Einzelzelle 11 mit einer exponentiellen Geschwindigkeit in ihren Ausmaßen anwachsen können, ist es wichtig eine Fehlfunktion einer betroffenen Einzelzelle 11 frühzeitig zu erkennen, um einer weiteren Schädigung dieser Einzelzelle 11 entgegenwirken zu können.
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Aus diesem Grund werden im Stand der Technik die Messwerte aller Einzelzellen 11, 11, ... mit einer für das Brennstoffzellensystem 1 möglich hohen Abtastfrequenz erfasst, wodurch sichergestellt sein soll, dass eine Fehlfunktion frühzeitig erkennbar ist. Um eine hohe Abtastfrequenz für einen Brennstoffzellenstapel 10 mit vielen Einzelzellen 11, 11, ... (mehrere hundert) zu realisieren, ist eine schnelle Signalverarbeitung erforderlich. Je nach einer Anzahl von Einzelzellen 11, 11, ... innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10, sind mehrere Zellenüberwachungseinheiten für eine Messwerterfassung und eine Signalverarbeitung einer Zellenüberwachung notwendig.
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Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, dass eine Wahrscheinlichkeit eines Auftretens einer Fehlfunktion einer Einzelzelle 11 von einer Position der Einzelzelle 11 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 abhängt. Tendenziell sind in Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels 10 die Einzelzellen 11, 11, ... in den Endabschnitten häufiger von Fehlfunktionen betroffen, als Einzelzellen 11, 11, ... in einem Mittenabschnitt des Brennstoffzellenstapels 10. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine Einzelzelle 11 eine zu geringe Spannung aufweist, was ein Indiz für eine Fehlfunktion der Einzelzelle 11 sein kann, kann ferner von einer Temperatur und/oder wenigstens einem anderen Parameter abhängen. Dies und auch das Folgende betrifft neben Einzelzellen 11, 11, ... analog Zellverbünde 200 (vgl. u., 3 bis 9) und/oder Zellengruppen 50, 60; 50, 60, 70; ... (vgl. u., 10 und 11).
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Je nachdem wie groß eine Wahrscheinlichkeit eines Auftretens einer Fehlfunktion einer Einzelzelle 11 in Abhängigkeit von ihrer Position im Brennstoffzellenstapel 10 ist, werden gemäß der Erfindung die Spannungen der zu messenden Einzelzellen 11, 11, ... mit einer angepassten Abtastfrequenz durch die Zellenüberwachung erfasst. Der Vorteil besteht in einer Steigerung einer Lebensdauer eines Brennstoffzellenstapels 10 sowie einer Kosteneinsparung, wobei entweder langsamere und damit kostengünstigere Messeinrichtungen eingesetzt werden können oder deren Anzahl erheblich reduziert werden kann.
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Vor allem bei Einzelzellen 11, 11, ... in den beiden Endabschnitten des Brennstoffzellenstapels 10 sind Spannungseinbrüche bis hin zu invertierten Spannungsverhältnissen gegenüber Einzelzellen 11, 11, ... in einem Mittenabschnitt vermehrt zu beobachten. Eine Ursache kann eine ungleichmäßige Verteilung einer Temperatur im Brennstoffzellenstapel 10, eine ungleichmäßige Verteilung wenigstens eines anderen Parameters und/oder wenigstens eine Randbedingung sein. So kann z. B. eine mangelnde Versorgung mit einem Betriebsmedium 3, 5, eine Überversorgung mit einem nicht (mehr) benötigten Gas und/oder Wasserdampf dazu führen, dass die Spannung einer Einzelzelle 11 außerhalb ihres Sollbereichs liegt.
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So können z. B. die Spannungen der Einzelzellen 11, 11, ... in den Endabschnitten des Brennstoffzellenstapels 10 mit einer wesentlich höheren Abtastfrequenz gemessen werden, als die Spannung der Einzelzellen 11, 11, ... in einem Mittenabschnitt. - Dabei (Endabschnitte, Mittenabschnitt) können Einzelzellen 11, 11, ... einzeln gemessen werden. Ferner können Einzelzellen 11, 11, ... zu Zellverbünden ... (keine Verschachtelung mit anderen Zellverbünden ...) mit n gleich zwei, drei, vier oder mehr Einzelzellen 11, 11, ... gebündelt und gemessen werden. Des Weiteren können Einzelzellen 11, 11, ... zu Zellengruppen (Verschachtelung mit anderen Zellengruppen ...) ... mit n gleich zwei, drei, vier oder mehr Einzelzellen 11, 11, ... gruppiert und gemessen werden.
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Die Einzelzellen 11, 11, ..., die Zellverbünde 11/11, 11/11/11, ... und/oder die Zellengruppen 11/11, 11/11/11, ... - also Zellabschnitte 11, 11/11, 11/11/11, ... des Brennstoffzellenstapels 10 - werden gemäß der Erfindung insbesondere mit einer individuellen, d. h. einen betreffenden Abschnitt des Brennstoffzellenstapels 10 angepassten Abtastfrequenz gemessen (analog: elektrochemische Zelle). - Hierbei ist die Abtastfrequenz der Zellenüberwachung bevorzugt ferner von einem Ort des Zellabschnitts 11, 11/11, 11/11/11, ... innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 abhängig.
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Es ist des Weiteren möglich, dass eine Abtastfrequenz der Messung durch die Zellenüberwachung in Abhängigkeit anderer Parameter variiert wird. So kann z. B. während eines Kaltstarts eine wesentlich höhere Abtastfrequenz angesetzt werden, welche reduziert wird, sobald der Brennstoffzellenstapel 10 oder bestimmte Abschnitte des Brennstoffzellenstapels 10 ihre Betriebstemperatur erreicht haben (analog: elektrochemische Zelle). - Hierbei ist die Abtastfrequenz der Zellenüberwachung bevorzugt ferner)von einem Kaltstart oder Kaltstartbedingungen des Brennstoffzellenstapels 10 und/oder einer anderen Temperatur, wie z. B. der Außentemperatur, abhängig.
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Darüber hinaus kann eine Änderung eines Parameters eine Anpassung der Abtastfrequenz bedingen. Z. B. kann die Abtastfrequenz in Abhängigkeit einer Lastanforderung an den Brennstoffzellenstapel 10 erfolgen. Bei hoher Last wird z. B. die Abtastfrequenz reduziert, während bei einer geringen Belastung eine höherfrequente Abtastung erfolgt, da hier eine Wahrscheinlichkeit zunimmt, dass eine Einzelzelle 11, 11, ... eine zu geringe Spannung aufweist (analog: elektrochemische Zelle). - Hierbei ist die Abtastfrequenz der Zellenüberwachung bevorzugt ferner von einer Lastanforderung des Brennstoffzellenstapels 10 abhängig.
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Es ist auch denkbar, die Abtastfrequenz aufgrund einer Temperatur (Parameter) oder eines Temperaturgradienten (Parameter) anzupassen. Hierbei ist also die Abtastfrequenz der Zellenüberwachung ferner von einer Temperatur, z. B. der Außentemperatur, einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 und/oder einer anderen Temperatur, und/oder eines Gradienten davon abhängig (analog: elektrochemische Zelle). - Für eine Bestimmung der Abtastfrequenz kann auch ein Parameter des Brennstoffzellenstapels 10 selbst, z. B. eine Spannung wenigstens eines Zellabschnitts 11, 11/11, 11/11/11, ... von Bedeutung sein. Wird eine entsprechend geringe Spannung gemessen, so wird die Abtastfrequenz erhöht, d. h. ein Messwert der Spannung (Parameter) wird in zeitlich geringeren Abständen ermittelt (analog: elektrochemische Zelle).
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Hierbei können natürlich auch Kombinationen wenigstens eines Parameters wenigstens einer Messung bzw. wenigstens eines Messwerts (Parameter) für eine Bestimmung der Abtastfrequenz von Vorteil sein. Ebenso können die Gradienten d. h. eine zeitliche und/oder räumliche Änderung wenigstens eines Parameters wenigstens einer Messung bzw. wenigstens eines Messwerts (Parameter), wie z. B. eine oder eine Mehrzahl von Spannungen, ausgewertet werden, um die Abtastfrequenz anzupassen. - Die Abtastfrequenz wird von einem entsprechenden Steuergerät der Zellenüberwachung bestimmt, welches die Parameter erfasst und verarbeitet.
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Um eine Auslastung hinsichtlich einer Rechenleistung des Steuergeräts gut zu nutzen, ist es sinnvoll, Stapelabschnitte, insbesondere elektrisch unterschiedlich verschaltete Stapelabschnitte, des Brennstoffzellenstapels 10 zeitlich versetzt abzutasten. Da die einzelnen Zellabschnitte 11, 11/11, 11/11/11, ... u. U. mit unterschiedlichen Abtastfrequenzen erfasst werden, ist es sinnvoll, die Messungen dieser Zellabschnitte 11, 11/11, 11/11/11, ... geringfügig zeitlich zu versetzen, sodass eine gute Auslastung einer Rechenleistung des Steuergeräts erfolgen kann. Der zeitliche Versatz ist jedoch geringer als eine Zeitdauer zwischen zwei Messungen des entsprechenden Zellabschnitts 11, 11/11, 11/11/11, ... zu wählen. - Anhand einer Abtastfrequenz der einzelnen Kanäle einer Zellenüberwachung kann ein einfacher Aufweis der Erfindung erfolgen.
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Das obig erläuterte Verfahren ist z. B. mit den im Folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktierungen (300) - 110 - 50, 60; 50, 60, 70 durchführbar, natürlich jedoch nicht auf diese beschränkt. Anhand einer elektrischen Kontaktierung einer elektrochemischen Zelle oder eines Brennstoffzellenstapels 10 kann ein einfacher Aufweis einer erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktierung (300) - 200 - 50, 60; 50, 60, 70 erfolgen.
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Die 2 zeigt beispielhaft ein Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform einer elektrischen Kontaktierung in Form eines einzigen Kontaktierungsblocks 300 z. B. für das erfindungsgemäße Verfahren. Hierbei kontaktiert die Zellenüberwachung über ihr zentrales Zellenüberwachungsmodul 100, ggf. wenigstens eine Zellenüberwachungseinheit und wenigstens ein elektromechanisches Verbindungselement (z. B. Stecker, Steckerleiste etc.) wenigstens im Wesentlichen sämtliche Bipolarplatten 17 des Brennstoffzellenstapels 10 über den Kontaktierungsblock 300. Mittels des Kontaktierungsblocks 300 wird jeweils wenigstens eine Kontaktvorrichtung 52 je Bipolarplatte 17 kontaktiert, was auch für die anderen Ausführungsbeispiele gilt.
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D. h. die elektrische Kontaktierung wenigstens im Wesentlichen sämtlicher Kontaktvorrichtungen 52 bzw. Bipolarplatten 17 erfolgt über einen einzigen Kontaktierungsblock 300 der Zellenüberwachung. Solch eine Konfiguration erlaubt eine große Flexibilität beim Zellenüberwachen, wobei immer einander direkt benachbarte Bipolarplatten 17, 17, ... mit der Zellenüberwachung physisch kontaktiert sind. Hierbei können einerseits die zu überwachenden Zellabschnitte 11, 11/11, 11/11/11, ... (vgl. a. u.) je nach einem Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 10 durch eine Software konfiguriert sein/werden, und andererseits können diese Zellabschnitte 11, 11/11, 11/11/11, ... gemäß der Erfindung überwacht, d. h. frequenzabhängig abgetastet, werden. D. h. durch solch einen Kontaktierungsblock 300 sind sämtliche der im Folgenden erläuterten Kontaktierungen 110 - 50, 60; 50, 60, 70 durch eine Software realisierbar.
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Eine Messung von zwei oder mehr Einzelzellen 11, 11; 11, 11,11; ... zusammen reduziert die Kosten für eine Zellenüberwachung erheblich. Mit Reduktion der Kosten sind Ungenauigkeiten bei Messungen der Parameter des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden. Jedoch sind vor allem jeweils in den beiden Endabschnitten eines Brennstoffzellenstapels 10 genaue Messwerte von einem entscheidenden Vorteil für eine Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 10.
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Ein großer Vorteil der nachfolgend beschriebenen, erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktierung 110 über Kontaktierungsblöcke 200; ... besteht darin, eine Überprüfungsgenauigkeit durch die Zellenüberwachung in denjenigen Abschnitten eines Brennstoffzellenstapels 10 gegenüber eben Gesagtem erheblich zu verbessern, in welchen eine große oder die größte Wahrscheinlichkeit einer Fehlfunktion in einer noch nicht bestimmten Einzelzelle 11 der dortigen (Endabschnitt(e) Einzelzellen 11, 11, ... besteht, und gleichzeitig Kosten einzusparen.
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In den Abschnitten des Brennstoffzellenstapels 10, in welchen eine dazu vergleichsweise geringe Wahrscheinlichkeit einer Fehlfunktion einer Einzelzelle 11, 11, ... besteht, werden erfindungsgemäß weiterhin die Kostenvorteile einer Zusammenfassung von zwei oder mehr Einzelzellen 11, 11; 11, 11,11; ... zu einem Zellverbund 11/11, 11/11/11, ... genutzt bzw. die Kostenvorteile weiterhin ausgebaut. - Dies ist in den 3 bis 9 beispielhaft dargestellt (sieben Ausführungsbeispiele der zweiten Ausführungsform der Erfindung).
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Gemäß der Erfindung (vgl. die Kontaktierung 110 in 3) wird in Stapelrichtung eines Brennstoffzellenstapels 10 z. B. in dessen beiden Endabschnitten (212, 212) die Zellenüberwachung mit jeder Einzelzelle 11, 11, ... über Kontaktierungsblöcke 200; 212, 212 elektrisch verbunden. Hierdurch kann die Spannung einer jeder Einzelzelle 11, 11, ... in den Endabschnitten (212, 212) erfasst werden (analog auch die 4 bis 9). Hierbei können z. B. jeweils die ersten (p) und die letzten (p) ca. 10 bis 40, insbesondere ca. 15 bis 30, und bevorzugt ca. 20 Einzelzellen 11, 11, ... einzeln gemessen. Die Einzelzellen 11, 11, ... in einem Mittenabschnitt (214) des Brennstoffzellenstapels 10 können z. B. über einen einzigen Kontaktierungsblock 200, 214 paarweise gemessen werden. Dabei umfasst in einem Endabschnitt (212) ein einzelner Zellverbund 11 eine einzige Einzelzelle 11 und im Mittenabschnitt (214) ein einzelner Zellverbund 11/11 zwei Einzelzellen 11, 11. Mit solch einer Konfiguration (drei Kontaktierungsblöcke 200; 212, 214, 212) kann eine ausreichende Genauigkeit erreicht werden, ohne dabei die Kosten für eine Zellenüberwachung wesentlich zu steigern.
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Werden zwei Einzelzellen 11, 11 als ein einzelner Zellverbund 11/11 zusammen gemessen, so kann aus diesem Messwert ein Spannungswert der jeweiligen Einzelzelle 11, 11 berechnet, d. h. gemittelt werden. Obwohl die Aufteilung des Messwerts auf zwei Einzelzellen 11, 11 dazu führt, dass der daraus ermittelte Spannungswert für die jeweilige Einzelzelle 11, 11 etwas ungenauer wird, so kann dennoch mit ausreichender Genauigkeit eine Aussage über den Zustand der betreffenden Einzelzelle 11, 11 gemacht werden. Wenn z. B. nur eine der beiden paarweise gemessenen Einzelzellen 11, 11 im Zellverbund 11/11 eine geringe, keine oder gar eine negative Spannung liefern sollte, so kann dies anhand des erfassten Messwerts des Zellverbunds 11/11 immer noch im Wesentlichen eindeutig erkannt werden.
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In anderen Ausführungsbeispielen kann der Brennstoffzellenstapel 10 in eine beliebige Anzahl von Abschnitten unterteilt sein. - Z. B. (vgl. die Kontaktierung 110 in 4) können wiederum die ersten und die letzten p Zellen einzeln gemessen werden (Zellverbünde 11 in den Kontaktierungsblöcken 200; 222, 222). Die jeweils von den beiden Endabschnitten (222, 222) nach innen hin zu einem zentralen Mittenabschnitt (226) folgenden q Einzelzellen 11, 11, ... in den beiden seitlichen Mittenabschnitten (224, 224) des Brennstoffzellenstapels 10, werden z. B. paarweise über die Zellverbünde 11/11 in den Kontaktierungsblöcken 200; 224, 224 gemessen. Die Einzelzellen 11, 11, ... im zentralen Mittenabschnitt (226) werden über die Zellverbünde 11/11/11, 11/11/11/11 mit drei und vier Einzelzellen 11, 11, 11; 11, 11, 11, 11 über den Kontaktierungsblock 200, 226 zusammengefasst und kontaktiert, und können so von der Zellenüberwachung gemessen werden.
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Eine andere Konfiguration solch eines symmetrischen Aufbaus und solch einer symmetrischen Lage der Kontaktierungsblöcke 200; 222, 224, 226 am bzw. bezüglich des Brennstoffzellenstapels 10 ist natürlich möglich. Und natürlich können auch anders konfigurierte Zellverbünde 11, 11/11, 11/11/11, ... in den Kontaktierungsblöcken 200; 222, 224, 226 zur Anwendung kommen. Ferner ist natürlich wenigstens ein zusätzlicher Kontaktierungsblock 200 anwendbar. - Damit können die Kosten für die Zellenüberwachung weiter reduziert werden, wohingegen die Genauigkeit einer Messwerterfassung vor allem in den Endabschnitten des Brennstoffzellenstapels 10 erhalten bleibt.
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Ferner kann auch eine asymmetrische Aufteilung der Kontaktierungsblöcke 200; 234, 236 angewendet sein (vgl. die Kontaktierung 110 in 5). Dies hat vor allem bei einer ungleichmäßigen Versorgung und/oder einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung Vorteile. Kann z. B. ein Brennstoffzellenstapel 10 aufgrund seiner Einbausituation nur ungleichmäßig mit Brennstoff und/oder Kühlmittel versorgt werden, so kann die Zellenüberwachung mit einer asymmetrischen Aufteilung ihrer Kontaktierungsblöcke 200; 234, 236, also ihrer Messbereiche, an diese Situation angepasst werden.
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Dabei kann ein Abschnitt, insbesondere ein Mittenabschnitt, welcher wahrscheinlich häufiger von Spannungsabweichungen und/oder negativen Spannungen betroffen ist, einzeln (Zellverbund 11 als Einzelzelle 11 ausgelegt) oder in Zellverbünden 11/11, 11/11/11, ... mit wenigen Einzelzellen 11, 11, ... gemessen werden (Kontaktierungsblock 200, 236, Mitte unten im Brennstoffzellenstapel 10), während in einem anderen Abschnitt, insbesondere einem Mittenabschnitt, mehrere Einzelzellen 11, 11, ... zusammen d. h. größere Zellverbünde 11/... /11, ... gemessen werden (Kontaktierungsblock 200, 234, Mitte oben im Brennstoffzellenstapel 10). Eine Überwachung der Einzelzellen 11, 11, ... in den Endabschnitten (Kontaktierungsblöcke 200; 232, 232) ist natürlich, wie bei allen Ausführungsbeispielen, anwendbar.
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Des Weiteren kann es von Vorteil sein, wenn nur die beiden Endabschnitte (Kontaktierungsblöcke 200; 242, 242) und ggf. die beiden, sich daran nach innen anschließenden seitlichen Mittenabschnitte (Kontaktierungsblöcke 200; 244, 244) mit der Zellenüberwachung verbunden werden (vgl. 6). Vor allem die Einzelzellen 11, 11, ... in diesen Abschnitten (242, (244)) haben ein erhöhtes Risiko einer Unter- oder Überversorgung mit einzelnen Stoffen wie z. B. Brennstoff oder das Risiko einer unzureichenden Kühlung oder Aufwärmung. Die Einzelzellen 11, 11, ... in diesen Abschnitten können z. B. einzeln (Kontaktierungsblöcke 200; 242, 242), paarweise (Kontaktierungsblöcke 200; 244, 244) oder in kleineren Zellverbünden 11/11, 11/11/11, ... zusammengefasst, gemessen werden.
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Die Einzelzellen 11, 11, ... im zentralen Mittenabschnitt (290) haben ggf. ein erheblich geringeres Risiko von Versorgungsproblemen betroffen zu sein. Daher können bei einer Messung der Zellverbünde 11, 11/11, 11/11/11, ... der Endabschnitte (242, 242) und ggf. der seitlichen Mittenabschnitte (244, 244) bereits mit hoher Wahrscheinlichkeit die meisten Probleme erkannt werden. Der zentrale Mittenabschnitt (290) wird hingegen aufgrund einer Kostenoptimierung bei diesem Ausführungsbeispiel messtechnisch nicht erfasst.
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Geht man davon aus, dass Spannungseinbrüche nicht nur auf eine einzige, betreffende Einzelzelle 11 beschränkt bleiben, sondern dass oft mehrere Einzelzellen 11, 11, ... in unmittelbarer Nachbarschaft ein gleiches oder ähnliches Verhalten zeigen, so kann es auch genügen, nur einzelne nicht unmittelbar benachbarte Zellverbünde 11, 11/11, 11/11/11, ... zu messen. Vgl. hierzu den zentralen Mittenabschnitt (266) der Kontaktierung 110 in 7 und 8. Da sich die Versorgung mit Brennstoff, eine Kühlung und/oder ein Wärmetransport kontinuierlich über den Brennstoffzellenstapel 10 verändern, ist es ggf. ausreichend in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen Zellverbünde 11, 11/11, 11/11/11, ... zu messen und anhand solcherart gewonnener Messwerte den Zustand eines Abschnitts von mehreren Einzelzellen 11, 11, ... innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 zu ermitteln.
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Ferner ist es aus Sicht einer weiteren Kostenreduktion möglich, dass eine Anzahl von r Einzelzellen 11, 11, ... zusammen gemessen werden, wobei die Zellverbünde 11, 11/11, 11/11/11, ... nicht benachbart sind bzw. nicht direkt aneinander angrenzen (nicht dargestellt). Des Weiteren können auch nur Einzelzellen 11, 11, .. erfasst werden, welche nicht direkt aneinander angrenzen; dabei ist idealerweise eine Dichte der zu messenden Einzelzellen 11, 11, ... in den Endabschnitten des Brennstoffzellenstapels 10 höher, als in einem Mittenabschnitt, insbesondere einem zentralen Mittenabschnitt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Kontaktierung 110 ist in der 9 dargestellt. Hier werden die Einzelzellen 11, 11, ... in den Endabschnitten (272, 272) über die beiden Kontaktierungsblöcke 200; 272, 272 paarweise (Zellverbünde 11/11) zusammen gemessen. Ggf. ist in einem äußeren Endbereich wenigstens eines Endabschnitts (272, 272) eine Einzelzelle 11 oder eine Mehrzahl von Einzelzellen 11, 11, ... einzeln erfassbar (vgl. 9 o.). Im einzigen und zentralen Mittenabschnitt des Brennstoffzellenstapels 10 werden die Einzelzellen 11, 11, ... in Zellverbünden 11/11 mit mehr als zwei Einzelzellen 11, 11 erfasst. Vorliegend sind dies Zellverbünde 11/11/11/11 mit jeweils vier Einzelzellen 11, 11, 11, 11. Zellverbünde mit einer anderen Anzahl von Einzelzellen 11, 11, ... sind hierbei natürlich anwendbar. Dieses Ausführungsbeispiel hat einen erheblichen Kostenvorteil.
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Neben reinen Spannungsmessungen durch eine betreffende Zellenüberwachung in den Ausführungsbeispielen können natürlich auch die elektrischen Widerstände bzw. die flächenspezifischen Widerstände der Zellverbünde 11, 11/11, 11/11/ 11, ... gemessen bzw. bestimmt werden. Werden Einzelzellen 11, 11, ... mit der Zellenüberwachung elektrisch nicht verbunden oder werden mehrere Einzelzellen 11, 11, ... zusammen gemessen (Zellverbünde 11/11, 11/11/11, ...), so hat dies ferner Vorteile bei einer Montage und den Taktzeiten in einer Fertigungslinie. Somit können neben einer Materialeinsparung auch Kosten für die Arbeitsschritte reduziert werden.
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Die 10 und 11 zeigen beispielhaft die dritte Ausführungsform einer elektrischen Kontaktierung 50, 60; 50, 60, 70. Die elektrische Kontaktierung 50, 60; 50, 60, 70; ... für eine Zellenüberwachung eines Brennstoffzellenstapels 10 (analog: der elektrochemische Zelle) weist elektromechanische Verbindungselemente 75, 76; ... der Zellenüberwachung auf, wobei die Verbindungselemente 75, 76; ... mit wenigstens n gleich zwei Reihen 51, 61; 51, 61, 71; ... von elektrischen Kontaktvorrichtungen 52, 62; 52, 62, 72; ... von Polarplatten 17, 18 des Brennstoffzellenstapels 10 elektrisch kontaktierbar sind, und derart von der Zellenüberwachung Informationen über Einzelzellen 11 des Brennstoffzellenstapels 10 erhaltbar sind und/oder erhalten werden.
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D. h. z. B., dass die Kontaktierung 50, 60; 50, 60, 70; ... im Wesentlichen wenigstens n gleich zwei elektrische Kontaktvorrichtungen 51, 61; 51, 61, 71; ... je Polarplatte 17, 18 des Brennstoffzellenstapels 10 aufweist, wobei wenigstens eine der dadurch entstehenden n Reihen von Kontaktvorrichtungen 52, 62; 52, 62, 72; .. von wenigstens einem Verbindungselement 75, 76; ... (ggf. von wenigstens n gleich zwei Zellenüberwachungseinheiten) der Zellenüberwachung elektrisch kontaktierbar oder kontaktiert ist.
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Die Verbindungselemente 75, 76; ... können oder sind mit sämtlichen n Reihen 51, 61; 51, 61, 71; ... der Kontaktvorrichtungen 52, 62; 52, 62, 72; ... elektrisch kontaktierbar sein bzw. kontaktiert. Hierdurch ist eine Einzelzellenüberwachung realisierbar. Ferner kann/können oder ist/sind das Verbindungselement / die Verbindungselemente 75, 76; ... mit höchstens n minus einer Reihe 51, 61; 51, 61, 71; ... der Kontaktvorrichtungen 52, 62; 52, 62, 72; ... elektrisch kontaktierbar sein bzw. kontaktiert. Hierdurch ist eine Zellenverbundüberwachung ohne eine Einzelzellenüberwachung realisierbar.
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Die Kontaktvorrichtungen 52, 62; 52, 62, 72; ... sind zueinander regelmäßig versetzt einer jeweiligen Reihe 51, 61; 51, 61, 71; ... zugehörig. Hierbei können oder sind über die n Reihen 51, 61; 51, 61, 71; ... von Kontaktvorrichtungen 52, 62; 52, 62, 72; ... eine dazu gleiche Anzahl n von Zellengruppierungen des Brennstoffzellenstapels 10 überwacht werden bzw. überwachbar. D. h. je Zellenüberwachungseinheit ist eine beliebige Anzahl von Zellengruppen 11/11, 11/11/11, ... je Zellengruppierung überwachbar.
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Mittels jeweils einer einzigen Reihe 51, 61; 51, 61, 71; ... von Kontaktvorrichtungen 52, 62; 52, 62, 72; ... sind fortgesetzt n Einzelzellen 11, 11... jeweils zu Zellengruppen 11/11, 11/11/11, ... elektrisch zusammenschaltbar und/oder zusammengeschaltet. Ferner kann jede n-te Polarplatte 17 einer einzigen Reihe 51, 61; 51, 61, 71; ... von Kontaktvorrichtungen 52, 62; 52, 62, 72; ... zwei einander direkt benachbarten Zellengruppen 11/11, 11/11/11, ... dieser Reihe 51, 61; 51, 61, 71; ... angehören. Darüber hinaus sind oder können mittels jeweils einer einzigen Reihe 51, 61; 51, 61, 71; ... der Kontaktvorrichtungen 52, 62; 52, 62, 72; ... im Wesentlichen sämtliche Einzelzellen 11, 11, ... als Zellengruppen 11/11, 11/11/ 11, ... erfassbar bzw. erfasst werden. Hierbei sind natürlich nicht sämtliche Einzelzellen 11, 11, ...getrennt voneinander erfassbar bzw. werden nicht getrennt voneinander erfasst, sondern lediglich die Zellengruppen 11/11, 11/11/11, ....
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Hierbei können fortgesetzt Zellengruppen 11/11, 11/11/11, ... jeweils einer Reihe 51, 61; 51, 61, 71; ... mit Zellengruppen 11/11, 11/11/11, ... einer betreffenden anderen Reihe 51, 61; 51, 61, 71; ... miteinander verschachtelt sein. Bei jeweils zwei untereinander verschachtelten Zellengruppen 11/11, 11/11/11, ... können eine Einzelzelle 11 bis höchstens n minus eins Einzelzellen 11, ... diesen beiden Zellengruppen 11/11, 11/11/11, ... gemeinsam angehören. Ferner kann bei jeweils zwei untereinander verschachtelten Zellengruppen 11/11, 11/11/11, ... wenigstens eine einzige Einzelzelle 11 bis n minus eins Einzelzellen 11, ... diesen Zellengruppen 11/11, 11/11/11, ... nicht angehören.
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Bevorzugt referenziert die Zellenüberwachung beim Zellenüberwachen für sämtliche Zellengruppen 11/11, 11/11/11, ... auf einen gemeinsamen elektrischen Bezug. So sind z. B. sämtliche Zellengruppen 11/11, 11/11/11, ... mit einer einzigen gemeinsamen Polarplatte 18 elektrisch verschaltbar und/oder verschaltet. D. h. diese Polarplatte 18 ist sämtlichen Reihen 51, 61; 51, 61, 71; ... von Zellengruppen 11/11, 11/11/11, ... als gemeinsamer elektrischer Bezug zugehörig. Ferner können im Wesentlichen sämtliche Polarplatten 17, 18 analog zu den n Zellenüberwachungseinheiten wenigstens n gleich zwei Kontaktvorrichtungen 52, 62; 52, 62, 72; ... aufweisen. Darüber hinaus können die Verbindungselemente 75, 76; ... n Zellenüberwachungseinheiten und/oder einem Zellenüberwachungsmodul 100 der Kontaktierung 50, 60; 50, 60, 70; ... zugehörig sein.
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Gemäß der Erfindung können einheitliche, baugleiche Einzelzellen 11, 11, ... bzw. Bipolarplatten 17, 17, ... sowie jeweils einheitliche, baugleiche Verbindungselemente (z. B. Stecker, Steckerleisten etc.) und ggf. einheitliche, baugleiche Zellenüberwachungseinheiten verwendet sein. D. h. eine Zellenüberwachungseinheit zwischen dem Brennstoffzellenstapel 10 und einem Zellenüberwachungsmodul 100 ist optional. Die Kontaktvorrichtungen 52; 52, 62; 52, 62, 72 können über das betreffende Verbindungselement und ggf. die betreffende Zellenüberwachungseinheit mit dem zentralen Zellenüberwachungsmodul 100 der ZellenÜberwachung kommunizieren, welche eine Berechnung der Spannungen der Zellabschnitte 11, 11/11, 11/11/11, ... und davon ausgehend ggf. eine Berechnung der Spannungen der Einzelzellen 11, 11, ... vornimmt.
