DE102022202025A1

DE102022202025A1 - Elektrochemische Zelleneinheit

Info

Publication number: DE102022202025A1
Application number: DE102022202025.1A
Authority: DE
Inventors: Andy Gottschalk; David Thomann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-02-28
Filing date: 2022-02-28
Publication date: 2023-08-31

Abstract

Elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49), umfassend gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen (52) und die elektrochemischen Zellen (52) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) umfassen, die Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) der elektrochemischen Zellen (52) vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), vorzugsweise Membranelektrodenanordnungen (6), vorzugsweise Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10) sind, Kanäle (12, 13, 14) zum Durchleiten von Prozessfluiden, eine Überwachungseinheit (62) als Recheneinheit (62) zur Überwachung von wenigstens einem Parameter der elektrochemischen Zellen (52), wenigstens eine Datenübertragungsvorrichtung (77, 78) zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters von den elektrochemischen Zellen (52) zu der Überwachungseinheit (62), wobei in die elektrochemischen Zellen (52) elektronischen Baueinheiten (70) als Datenübertragungsvorrichtungen (70) integriert sind zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters von den elektrochemischen Zellen (52) zu der Überwachungseinheit (62).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittel in elektrische Energie und Wasser um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel als Brennstoffzellenstack angeordnet. Innerhalb der Brennstoffzellen ist jeweils ein Gasraum für Oxidationsmittel vorhanden, das heißt ein Strömungsraum zum Durchleiten von Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft aus der Umgebung mit Sauerstoff. Der Gasraum für Oxidationsmittel ist von Kanälen an der Bipolarplatte und von einer Gasdiffusionsschicht für eine Kathode gebildet. Die Kanäle sind somit von einer entsprechenden Kanalstruktur einer Bipolarplatte gebildet und durch die Gasdiffusionsschicht gelangt das Oxidationsmittel, nämlich Sauerstoff, zu der Kathode der Brennstoffzellen. In analoger Weise ist ein Gasraum für Brennstoff vorhanden.
Elektrolysezelleneinheiten aus gestapelt angeordneten Elektrolysezellen, analog wie bei Brennstoffzelleneinheiten, dienen beispielsweise zur elektrolytischen Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser. Ferner sind Brennstoffzelleneinheiten bekannt, die als reversible Brennstoffzelleneinheiten und damit als Elektrolysezelleneinheiten betrieben werden können. Brennstoffzelleneinheiten und Elektrolysezelleinheiten bilden elektrochemische Zelleneinheiten. Brennstoffzellen und Elektrolysezellen bilden elektrochemische Zellen.
In elektrochemischen Zelleneinheiten werden Prozessfluide zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie eingesetzt. Während des Betriebes der elektrochemischen Zelleneinheiten kann es zu Abweichungen an Zellenparametern der elektrochemischen Zellen aufgrund der ablaufenden Prozesse kommen, insbesondere bei einer längeren Betriebsdauer der elektrochemischen Zelleneinheiten. Beispielsweise kann es bei einer PEM-Brennstoffzelle zu einer Ablagerung bzw. Sammlung von Wasser, insbesondere Reaktionswasser, als Prozessfluid in den Anoden, Kathoden und Gasdiffusionsschichten sowie den Kanälen für Brennstoff und Oxidationsmittel kommen. Diese Anlagerungen haben negative Auswirkungen auf den Betrieb, insbesondere führt dies zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades und zu einer Beschleunigung des Alterungsvorganges in der PEM-Brennstoffzelle, so dass sich in je einer Brennstoffzelle die Spannung als ein Zellenparameter einer geschädigten Brennstoffzelle reduziert. Darüber hinaus kann es auch zu einer Anreicherung der Protonenaustauschermembran mit Kohlenmonoxid kommen mit negativen Auswirkungen. In einer SOFC-Brennstoffzelle kann es zu Ablagerungen von Kohlenstoff in den Kanälen kommen.
Für einen ordnungsgemäßen und zuverlässigen Betrieb der Brennstoffzelleneinheit ist es notwendig, wenigstens einen Parameter der Brennstoffzellen, beispielsweise die Spannung und die Feuchtigkeit der Brennstoffzellen, zu überwachen. Dabei ist es bereits bekannt, mittels einer CVM-Vorrichtung (cell voltage monitoring-Vorrichtung) Schäden an einzelnen Brennstoffzellen oder Gruppen von Brennstoffzellen zu erfassen. In der CVM-Vorrichtung werden die Spannungen der elektrochemischen Zellen erfasst und anschließend die erfassten Spannungen für die einzelnen Zellen ausgewertet. Die Auswertung erfolgt mit einfachen Kriterien, beispielsweise das Unterschreiten eines vorgegebenen Minimalwertes der Spannung der Zellen oder das Überschreiten eines vorgegebenen Maximalwertes der Spannungen der Zellen.
Bei der Überwachung beispielsweise der Spannung wird die anliegende Spannung mittels Stromleitungen als Datenübertragungsvorrichtungen zu einer zentralen Überwachungseinheit (Recheneinheit) als CVM-Vorrichtung übertragen, so dass die Daten bzw. Signale für den Parameter der Spannung die Spannung des in Stromkabeln geleiteten Stromes selbst ist. Eine Brennstoffzelleneinheit mit 400 übereinander angeordneten Brennstoffzellen umfasst 401 Bipolarplatten und bei einer getrennten Überwachung jeder einzelnen Brennstoffzelle hinsichtlich des Parameters der Spannung ist es somit notwendig, 401 Stromleitungen von dem Stapel der Brennstoffzellen zu der Überwachungseinheit zu führen. Dies erfordert somit eine Stromabnehmerleiste und einen großen Kabelbaum, der in nachteiliger Weise viel Bauraum benötigt. Die große Masse des Kabelbaumes ist in mobilen Anwendungen, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, mit erheblichen Nachteilen verbunden. Der Kabelbaum ist auch teuer in der Herstellung. Aus diesem Grund sind insgesamt 401 Stromleitungen mittels 401 Pins als Erfassungseinheiten mit 401 Bipolarplatten zu verbinden. An den Enden der Stromleitungen sind die Pins ausgebildet und diese Pins werden in Bohrungen oder Öffnungen als Gegenverbindungselementen in den Bipolarplatten gesteckt, so dass form- und/oder kraftschlüssige Fixierungen ausgebildet werden. Die Stromleitungen sind mit den Pins und Bohrungen somit form- und/oder kraftschlüssig an den Bipolarplatten fixiert und elektrisch leitend mit den Bipolarplatten verbunden. Die Bipolarplatten weisen eine Dicke von ca. 1 mm auf und die Bohrungen in den Bipolarplatten sind mit einem Durchmesser von ungefähr 0,7 mm ausgebildet. Die Pins werden manuell von Facharbeitern in die Bohrungen der Bipolarplatten gesteckt, so dass dieser Arbeitsvorgang aufwendig mit einem hohen Fehler- und Beschädigungsrisiko ist. Dabei können die Pins bei einer Fehlmontage nicht in die Bohrungen oder Öffnungen eingesteckt werden, sondern zwischen den Bipolarplatten ein Kurzschluss auftritt. Bei dieser Fehlmontage sind die Pins analog wie bei einer korrekten Montage in den Bohrungen und Öffnungen optisch im Wesentlich nicht erfassbar bzw. sichtbar, so dass eine optische Prüfung einer Fehlmontage der Pins nicht möglich ist.
Die DE 10 2019 220 527 A1 zeigt eine Zelleneinheit als Zellenstapel zur Wandlung elektrochemischer Energie umfassend übereinander angeordnete Einzelzellen, eine Überwachungseinheit als Recheneinheit zur Überwachung von wenigstens einem Parameter der Einzelzellen, wenigstens eine Datenübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters von den Einzelzellen zu der Überwachungseinheit, wobei die Zelleneinheit mehrere Zusatzüberwachungseinheiten als Recheneinheiten zur Überwachung von wenigstens einem Parameter der Einzelzellen und wenigstens eine Datenübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters von den Einzelzellen zu den Zusatzüberwachungseinheiten umfasst, wobei die Zusatzüberwachungseinheiten jeweils einen Energiespeicher aufweisen.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit, umfassend gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen und die elektrochemischen Zellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen, die Komponenten der elektrochemischen Zellen vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Membranelektrodenanordnungen, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind, Kanäle zum Durchleiten von Prozessfluiden, eine Überwachungseinheit als Recheneinheit zur Überwachung von wenigstens einem Parameter der elektrochemischen Zellen, wenigstens eine Datenübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters von den elektrochemischen Zellen zu der Überwachungseinheit, wobei in die elektrochemischen Zellen elektronischen Baueinheiten als Datenübertragungsvorrichtungen integriert sind zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters von den elektrochemischen Zellen zu der Überwachungseinheit.
In einer weiteren Ausführungsform sind die elektronischen Baueinheiten Bestandteil eines Bussystems und mittels des Bussystems Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters von den elektrochemischen Zellen zu der Überwachungseinheit übertragbar sind. In dem Bussystem werden Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters von wenigstens 2 Signalleitungen, insbesondere nur 2 Signalleitungen, von den elektronischen Baueinheiten zu der Recheneinheit übertragen. Das Bussystem umfasst vorzugsweise zwei Signalleitungen, die elektronischen Baueinheiten und die Überwachungseinheit.
In einer ergänzenden Variante ist in den elektronischen Baueinheiten der wenigstens eine Parameter der elektrochemische Zellen auswertbar und/oder umwandelbar. In den elektronischen Baueinheiten ist das Auswerten des wenigstens einen Parameters ausführbar und Störungen an wenigstens einer elektrochemischen Zelle sind erfassbar und anschließend ist eine Störungsmeldung von der elektronischen Baueinheit zu der Recheneinheit übertragbar als Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters. Vorzugsweise ist der wenigstens eine Parameter in den elektronischen Baueinheiten in einer Signal umwandelbar, insbesondere als elektrisches Signal oder Lichtsignal, zur Leitung in Signalleitungen für ein Bussystem. Vorzugsweise sind in den Signalleitungen und/oder dem Bussystem die Daten von wenigstens 10%, 50% oder 90%, insbesondere sämtlichen, elektrochemischen Zellen simultan von den elektronischen Baueinheiten zu der Überwachungseinheit leitbar.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist nur bei einer Abweichung des wenigstens einen Parameters von einem Sollwert und/oder einem Sollwertbereich eine Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters, insbesondere Daten zu einem möglichen Schaden der wenigstens einen elektrochemischen Zelle, von den elektronischen Baueinheiten zu der Überwachungseinheit ausführbar.
Vorzugsweise sind die elektronischen Baueinheiten in die Bipolarplatten der elektrochemischen Zellen integriert.
In einer ergänzenden Ausführungsform sind in den Bipolarplatten Aussparungen, insbesondere Durchgangsbohrungen, vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zu fiktiven Ebenen aufgespannt von den Bipolarplatten, ausgebildet und die elektronischen Baueinheiten sind in den Aussparungen angeordnet.
In einer weiteren Variante umfasst die in je eine elektrochemische Zelle integrierte elektronische Baueinheit einen elektrischen Kontakt zur Erfassung der elektrischen Spannung als Parameter der elektrochemischen Zelle in welche die elektronische Baueinheit integriert ist und/oder zur Energieversorgung der je einen elektronischen Baueinheit.
In einer zusätzlichen Ausführungsform umfasst die in je eine elektrochemische Zelle integrierte elektronische Baueinheit wenigstens eine Pin zur Erfassung der elektrischen Spannung als Parameter wenigstens einer benachbarten elektrochemischen Zelle und/oder zur Energieversorgung der je einen elektronischen Baueinheit. Mittels der wenigstens einen Pin kann die elektrische Spannung einer benachbarten elektrochemischen Zelle erfasst werden und mittels eines Kontaktes kann die elektrische Spannung der elektrochemischen Zelle mit der elektronischen Baueinheit erfasst werden und dieses Erfassen ermöglicht auch die Nutzung der Spannungsdifferenz zwischen der Spannung der elektrochemischen Zelle mit der elektronischen Baueinheit und der Spannung der benachbarten elektrochemischen Zelle zur Energieversorgung der elektronischen Baueinheit.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die in je eine elektrochemische Zelle integrierte elektronische Baueinheit einen Sensor zur Erfassung der Temperatur, als Parameter der elektrochemischen Zelle in welche die elektronische Baueinheit integriert ist.
Insbesondere sind in wenigstens 40%, 50%, 70%, 80% oder 90% der elektrochemischen Zellen, insbesondere in sämtlichen elektrochemischen Zellen, die elektronischen Baueinheiten integriert.
In einer ergänzenden Ausführungsform umfassen die elektronischen Baueinheiten einen Prozessor, insbesondere Mikroprozessor, und/oder einen Arbeits- und Programmspeicher.
In einer weiteren Variante umfassen die elektronischen Baueinheiten einen Mikrocontroller.
In einer zusätzlichen Ausführungsform sind die elektronischen Baueinheiten, insbesondere sämtliche elektronischen Baueinheiten, zueinander gestapelt angeordnet, so dass eine fiktive Gerade, welche senkrecht zu den fiktiven Ebenen aufgespannt von den elektrochemischen Zelleneinheiten ausgerichtet ist, die elektronischen Baueinheiten, insbesondere sämtliche elektronischen Baueinheiten, schneidet. In einer elektrochemischen Zelleneinheit mit im Wesentlichen horizontal ausgerichteten elektrochemischen Zellen sind damit die elektronischen Baueinheiten übereinander im Wesentlichen in vertikaler Richtung angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die elektronischen Baueinheiten, insbesondere sämtliche elektronischen Baueinheiten, mit zwei Stromleitungen zur Energieversorgung der elektronischen Baueinheiten und/oder zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters elektrisch miteinander verbunden. Signalleitungen, insbesondere als Stromleitungen oder Glasfaserleitungen zur Übertragung von Licht, bilden damit Datenübertragungsvorrichtungen. Daten sind damit auch als Lichtsignale übertragbar. Vorzugsweise bilden Stromleitungen zusätzlich Signalleitungen.
Vorzugsweise umfassen die elektronischen Baueinheiten eine Sende- und/oder Empfangseinheit zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters mittels einer Funkverbindung. Die Sende- und/oder Empfangseinheit bildet damit eine Datenübertragungsvorrichtung. Die Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters ist mittels der Funkverbindung ausführbar.
In einer weiteren Variante ist das Bussystem ein Datenbussystem und/oder Adressbussystem und/oder Steuerbussystem. Mit Hilfe des Steuerbussystems ist eine Steuerung der elektronischen Baueinheiten ausführbar. Beispielsweise kann der Sollwert und/oder Sollwertbereich des wenigstens einen Parameters in den elektronischen Baueinheiten verändert werden ab dessen Abweichung ein Schaden oder eine Störung von wenigstens einer elektrochemischen Zelle zu der Überwachungseinheit übertragbar ist.
In einer ergänzenden Ausgestaltung fungiert die Überwachungseinheit als Recheneinheit zur Überwachung von wenigstens einem Parameter von wenigstens 50%, 70%, 90%, 95% oder 99% der elektrochemischen Zellen, insbesondere von sämtlichen elektrochemischen Zellen.
In einer ergänzenden Variante fungiert wenigstens eine Stromleitung zur Energieversorgung der elektronischen Baueinheiten zusätzlich als wenigstens eine Signalleitung zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters.
In einer ergänzenden Variante sind in die elektronischen Baueinheiten Spulen eingebaut, so dass mittels Induktion eines Wechselstromes in den Spulen die elektronischen Baueinheiten mit elektrischer Energie betreibbar sind.
In einer ergänzenden Ausführungsform sind die elektronischen Baueinheiten mit elektrischer Energie aufgrund und/oder mittels einer Spannungsdifferenz zwischen den elektrochemischen Zellen, insbesondere der Spannungsdifferenz zwischen der je einen elektrochemischen Zelle mit der zu betreibenden elektronischen Baueinheit und je einer benachbarten elektrochemischen Zelle zu der je einen elektrochemischen Zelle mit der zu betreibenden elektronischen Baueinheit, und/oder innerhalb der elektrochemischen Zelleneinheit betreibbar. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen werden Spannungsdifferenzen zwischen zwei benachbarten Zellen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungsdifferenzen zwischen 0,5 V und 1,0 V zwischen je zwei benachbarten elektrochemischen Zelleneinheiten erreicht.
In einer weiteren Variante umfassen die elektronischen Baueinheiten je einen Gleichspannungswandler zur Erhöhung der Spannung. Bei einem Betreiben der elektronischen Baueinheiten aufgrund und/oder mittels einer Spannungsdifferenz zwischen den elektrochemischen Zellen und/oder innerhalb der elektrochemischen Zelleneinheit kann die vorhandene Spannungsdifferenz von beispielsweise zwischen 0,5 V und 1,0 V nicht ausreichend sein, so dass mit dem Gleichspannungswandler die vorhandene Spannungsdifferenz von beispielsweise zwischen 0,5 V und 1,0 V auf beispielsweise 3 V bis 4 V erhöht wird und diese erhöhte Spannung ist ausreichend für den Betrieb der elektronischen Baueinheiten. Die elektronischen Baueinheiten benötigen beispielsweise eine Spannung von mindestens 3,3 V.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Pins und/oder Stromleitungen zur Erfassung der Spannung der Zellen galvanisch getrennt von den Stromleitungen und/oder Steckverbindern und/oder Gegensteckverbindern zur Energieversorgung der elektronischen Baueinheiten und/oder von den Signalleitungen und/oder Steckverbindern und/oder Gegensteckverbindern zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters und/oder von der wenigstens eine Datenübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters von den elektrochemischen Zellen zu der Überwachungseinheit.
In einer zusätzlichen Ausführungsform umfassen die elektronischen Baueinheiten je ein, vorzugsweise fluiddichtes, Gehäuse. Das Gehäuse schützt die elektronischen Komponenten, beispielsweise Prozessoren, Speicher, Sensoren und Messvorrichtungen, vor mechanischen Beschädigungen. Zusätzlich ist das Gehäuse vorzugsweis außenseitig komplementär zu der Bipolarplatte an der Aussparung ausgebildet, so dass die elektronischen Baueinheiten formschlüssig an den Bipolarplatten befestigt sind.
Zweckmäßig sind die elektronischen Baueinheiten stoffschlüssig, insbesondere mittels eines Klebstoffes, an den Bipolarplatten befestigt. Vorzugsweise fungiert der Klebstoff zusätzlich als Dichtung zur Abdichtung zwischen den ersten und zweiten Platten der Bipolarplatten an den Aussparungen.
In einer weiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit 2 Stromleitungen zur Energieversorgung der elektronischen Baueinheiten und/oder 2 Signalleitungen zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters, vorzugsweise fungieren zwei physische Stromleitungen als Stromleitungen und als Signalleitungen oder die elektrochemische Zelleneinheit weist 4 physische Stromleitungen auf. Die Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters sind als von den elektronischen Baueinheiten umgewandelten Stromsignale durch Signalleitungen leitbar.
Insbesondere ist der Zellenparameter die Spannung an je einer Zelle und/oder die Temperatur an je einer Zelle und/oder die Verteilung eines Magnetfeldes an je einer Zelle und/oder der Druck, insbesondere des Brennstoffes und/oder des Oxidationsmittels und/oder des Kühlmittels, und/oder die Feuchtigkeit, insbesondere in einem Kanal und/oder Zuführkanal und/oder Abführkanal für Brennstoff und/oder Oxidationsmittel und/oder Kühlmittel.
In einer ergänzenden Variante umfasst die elektronische Baueinheit wenigstens eine Messvorrichtung und/oder einen Sensor zur Erfassung des Zellenparameters der Spannung getrennt für je eine Zelle, insbesondere für sämtliche Zellen des Zellenstacks, und/oder zur Erfassung der Spannungsdifferenz zwischen zwei Zellen.
In einer weiteren Variante umfasst die elektronische Baueinheit Hallsensoren zur Erfassung des Magnetfeldes und/oder der Verteilung des Magnetfeldes getrennt für je eine Zelle, insbesondere für sämtliche Zellen des Zellenstacks.
Vorzugsweise ist der Zellenparameter die Stromdichte der elektrochemischen Zellen.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die elektrochemische Zelleneinheit eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie und/oder eine Elektrolysezelleneinheit zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie.
Zweckmäßig sind die Bipolarplatten als Separatorplatten ausgebildet und zwischen je einer Anode und je einer Kathode eine elektrische Isolationsschicht, insbesondere eine Protonenaustauschermembran, angeordnet ist und vorzugsweise die Elektrolysezellen jeweils einen dritten Kanal für die getrennte Durchleitung eines Kühlfluid als drittes Prozessfluid umfassen.
In einer weiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit ein Gehäuse und/oder eine Anschlussplatte. Der Zellenstack ist von dem Gehäuse und/oder der Anschlussplatte umschlossen.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Brennstoffzelleneinheit und/oder Elektrolysezelleneinheit ausgebildet ist.
Erfindungsgemäßes Elektrolysesystem und/oder Brennstoffzellensystem, umfassend eine Elektrolysezelleneinheit als Elektrolysezellenstapel mit Elektrolysezellen, vorzugsweise einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, vorzugsweise eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, einen Speicherbehälter für flüssigen Elektrolyten, eine Pumpe zur Förderung des flüssigen Elektrolyten, wobei die Elektrolysezelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Elektrolysezelleneinheit und/oder Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung bildet die in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit zusätzlich eine Elektrolysezelleneinheit und vorzugsweise umgekehrt.
Zweckmäßig sind Komponenten für elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen, vorzugsweise Isolationsschichten, insbesondere Protonenaustauschermembranen, vorzugsweise Membranelektrodenanordnungen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, insbesondere Separatorplatten.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen oder eine SOFC-Brennstoffzelleneinheit mit SOFC-Brennstoffzellen oder eine alkalische Brennstoffzelle (AFC).
Figurenliste
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines elektrochemischen Zellensystems als Brennstoffzellensystem und Elektrolysezellensystem mit Komponenten einer elektrochemischen Zelle als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
3 einen Schnitt durch elektrochemische Zellen als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
4 eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
5 eine Seitenansicht der elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
6 eine perspektivische Ansicht einer stark vereinfachten Bipolarplatte ohne Darstellung einer elektronischen Baueinheit,
7 eine Draufsicht der Bipolarplatte mit konstruktiven Details einschließlich der elektronischen Baueinheit und
8 einen Schnitt durch elektrochemische Zellen als Brennstoffzellen und Elektrolysezellen mit Darstellung von elektronischen Baueinheiten in einer Schnittrichtung A-A gemäß 7.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode:
- O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- → 2 H₂O
Anode:
- 2 H₂ → 4 H⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode:
- 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 61 von mehreren gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und den Elektroden 7, 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 7, 8 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heiß verpresst sind. An den Elektroden 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht (nicht dargestellt). Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem lonomer, beispielsweise Nation®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem lonomer sind aufgrund der Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig und leiten auch die Protonen H⁺ und fungieren zusätzlich auch als Katalysatorschicht 30 wegen der platinhaltigen Kohlenstoffpartikel. Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 umfassend das lonomer bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membran).
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier als Träger- und Substratschicht und einer gebundenen Kohlepulverschicht als mikroporöser Schicht (microporous layer) aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase als Prozessfluide durch die Kanalstrukturen 29 und/oder Flussfelder 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 als Kanalstruktur 29 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels als Prozessfluid eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe und/oder Graphit eingesetzt.
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt zu einem Brennstoffzellenstack 61 als Zellenstack 61 angeordnet (4 und 5). Der Brennstoffzellenstack 61 ist von einem nicht dargestellten Gehäuse und einer Anschlussplatte umschlossen. In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei fluchtend gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Dichtungen 11 dichten die Gasräume 31, 32 bzw. Kanäle 12, 13 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt. Am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 sind im Stapel als Zellenstack 61 der Brennstoffzelleneinheit 1 fluchtende Fluidöffnungen 41 an Abdichtplatten 39 als Verlängerung am Endbereich 40 der aufeinander liegender Bipolarplatten 10 (6) und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) ausgebildet. Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 der Brennstoffzellen 2 sind scheibenförmig ausgebildet und spannen zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtete fiktive Ebenen 59 auf. Die fluchtenden Fluidöffnungen 41 und Dichtungen (nicht dargestellt) in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 59 zwischen den Fluidöffnungen 41 bilden somit einen Zuführkanal 42 für Oxidationsmittel, einen Abführkanal 43 für Oxidationsmittel, einen Zuführkanal 44 für Brennstoff, einen Abführkanal 45 für Brennstoff, einen Zuführkanal 46 für Kühlmittel und einen Abführkanal 47 für Kühlmittel. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Zellenstacks 61 der Brennstoffzelleneinheit 1 sind als Prozessfluidleitungen ausgebildet. Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Zellenstacks 61 der Brennstoffzelleneinheit 1 münden in die Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 innerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine erste Spannplatte 35 liegt auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und eine zweiten Spannplatte 36 liegt auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 und 5 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die erste Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und die zweite Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 61 als Brennstoffzellenstack 61 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtungen 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 61 als Zellenstack 61 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 37 als Bolzen 38 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 38 sind mit den Spanplatten 34 verbunden.
In 6 ist die Bipolarplatte 10 der Brennstoffzelle 2 stark vereinfacht dargestellt. Die Bipolarplatte 10 umfasst die Kanäle 12, 13 und 14 als drei getrennte Kanalstrukturen 29. Die Kanäle 12, 13 und 14 sind in 6 nicht gesondert dargestellt, sondern lediglich vereinfacht als Schicht einer Kanalstruktur 29. Die Fluidöffnungen 41 an den Abdichtplatten 39 als Endbereich 40 der Bipolarplatten 10 (6 und 7) und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) sind fluchtend gestapelt angeordnet innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 ausbilden. Dabei sind zwischen den Abdichtplatten 39 nicht dargestellte Dichtungen angeordnet zur fluiddichten Abdichtung der von den Fluidöffnungen 41 gebildeten Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47.
Da die Bipolarplatte 10 auch den Gasraum 31 für Brennstoff von dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel fluiddicht abtrennt und ferner auch den Kanal 14 für Kühlmittel fluiddicht abdichtet kann für die Bipolarplatte 10 ergänzend auch der Begriff der Separatorplatte 51 zur fluiddichten Trennung bzw. Separierung von Prozessfluiden gewählt werden. Damit wird unter dem Begriff der Bipolarplatte 10 auch der Begriff der Separatorplatte 51 subsumiert und umgekehrt. Die Kanäle 12 für Brennstoff, die Kanäle 13 für Oxidationsmittel und die Kanäle 14 für Kühlmittel der Brennstoffzelle 2 sind auch an der elektrochemische Zelle 52 als Elektrolysezelle 50 ausgebildet, jedoch mit einer anderen Funktion.
Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als Elektrolysezelleneinheit 49 eingesetzt und betrieben werden, d. h. bildet eine reversible Brennstoffzelleneinheit 1. Im Nachfolgenden werden einige Merkmale beschrieben, die den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 als Elektrolysezelleneinheit 49 ermöglichen. Für die Elektrolyse wird ein flüssiger Elektrolyt, nämlich stark verdünnte Schwefelsäure mit einer Konzentration von ungefähr c (H₂SO₄) = 1 mol/l, verwendet. Eine ausrechende Konzentration von Oxoniumionen H₃O⁺ in dem flüssigen Elektrolyten ist notwendig für die Elektrolyse.
Bei der Elektrolyse laufen die nachfolgenden Redoxreaktionen ab:

Kathode: 4 H₃O⁺ + 4 e^- → 2 H₂ + 4 H₂O
Anode: 6 H₂O → O₂ + 4 H₃O⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂O → 2 H₂ + O₂

Die Polung der Elektroden 7, 8 erfolgt mit Elektrolyse bei dem Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgekehrt (nicht dargestellt) wie bei dem Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich in den Kanälen 12 für Brennstoff, durch den der flüssige Elektrolyt geleitet wird, an den Kathoden Wasserstoff H₂ als zweiter Stoff gebildet wird und der Wasserstoff H₂ von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert wird. Analog wird durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel der flüssige Elektrolyt geleitet und an den Anoden in bzw. an Kanälen 13 für Oxidationsmittel Sauerstoff O₂ als erster Stoff gebildet wird. Die Brennstoffzellen 2 der Brennstoffzelleneinheit 1 fungieren beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 als Elektrolysezellen 50. Die Brennstoffzellen 2 und Elektrolysezellen 50 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Der gebildete Sauerstoff O₂ wird von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert. Der flüssige Elektrolyt ist in einem Speicherbehälter 54 gelagert. In 1 sind aus zeichnerischen Vereinfachungsgründen zwei Speicherbehälter 54 des Brennstoffzellensystem 4 dargestellt, welches auch als Elektrolysezellensystem 48 fungiert. Das 3-Wege-Ventil 55 an der Zuführleitung 16 für Brennstoff wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgeschaltet, so dass nicht Brennstoff aus dem Druckgasspeicher 21, sondern das flüssige Elektrolyt mit einer Pumpe 56 aus dem Speicherbehälter 54 in die Zuführleitung 16 für Brennstoff eingeleitet wird. Ein 3-Wege-Ventil 55 an der Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgeschaltet, so dass nicht Oxidationsmittel als Luft aus der Gasfördereinrichtung 22, sondern das flüssige Elektrolyt mit der Pumpe 56 aus dem Speicherbehälter 54 in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel eingeleitet wird. Die Brennstoffzelleneinheit 1, welche auch als Elektrolysezelleneinheit 49 fungiert, weist im Vergleich zu einer nur als Brennstoffzelleneinheit 1 betreibbaren Brennstoffzelleneinheit 1 optional Modifikationen an den Elektroden 7, 8 und der Gasdiffusionsschicht 9 auf: beispielsweise ist die Gasdiffusionsschicht 9 nicht saugfähig, so das der flüssige Elektrolyt leicht vollständig abläuft oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist nicht ausgebildet oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist eine Struktur an der Bipolarplatte 10. Die Elektrolysezelleneinheit 49 mit dem Speicherbehälter 54, der Pumpe 56 und den Abscheidern 57, 58 und vorzugsweise dem 3-Wege-Ventil 55 bildet ein elektrochemisches Zellensystem 60.
An der Abführleitung 15 für Brennstoff ist ein Abscheider 57 für Wasserstoff angeordnet. Der Abscheider 57 scheidet aus dem Elektrolyten mit Wasserstoff den Wasserstoff ab und der abgeschiedene Wasserstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in den Druckgasspeicher 21 eingeleitet. Der aus dem Abscheider 57 für Wasserstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. An der Abführleitung 26 für Brennstoff ist ein Abscheider 58 für Sauerstoff angeordnet. Der Abscheider 58 scheidet aus dem Elektrolyten mit Sauerstoff den Sauerstoff ab und der abgeschiedene Sauerstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in einem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff eingeleitet. Der Sauerstoff in dem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff kann optional für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 genutzt werden indem mit einer nicht dargestellten Leitung der Sauerstoff in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel gleitet wird beim Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1. Der aus dem Abscheider 58 für Sauerstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. Die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 sind dahingehend ausgebildet, dass nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und dem Abschalten der Pumpe 56 der flüssige Elektrolyt wieder vollständig in den Speicherbehälter 54 zurück läuft aufgrund der Schwerkraft. Optional wird nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und vor der Verwendung als Brennstoffzelleneinheit 1 durch die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 ein Inertgas durchgeleitet zum vollständigen Entfernen des flüssigen Elektrolyten vor dem Durchleiten von gasförmigem Brennstoff und Oxidationsmittel. Die Brennstoffzellen 2 und die Elektrolysezellen 2 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Die Brennstoffzelleneinheit 1 und die Elektrolysezelleneinheit 49 bilden somit eine elektrochemische Zelleneinheit 53. Die Kanäle 12 für Brennstoff und der Kanäle für Oxidationsmittel bilden damit Kanäle 12, 13 zum Durchleiten des flüssigen Elektrolyten beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 und dies gilt analog für die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26. Eine Elektrolysezelleneinheit 49 benötigt aus prozesstechnischen Gründen normalerweise keine Kanäle 14 zum Durchleiten von Kühlmittel. In einer elektrochemischen Zelleneinheit 49 bilden die Kanäle 12 für Brennstoff auch Kanäle 12 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten und die Kanäle 13 für Oxidationsmittel bilden auch Kanäle 13 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelleneinheit 1 als eine alkalische Brennstoffzelleneinheit 1 ausgebildet. Als mobiler Elektrolyt wird Kalilauge als Kaliumhydroxid-Lösung eingesetzt. Die Brennstoffzellen 2 sind gestapelt angeordnet. Dabei kann ein monopolarer Zellaufbau oder ein bipolarer Zellaufbau ausgebildet sein. Die Kaliumhydroxid-Lösung zirkuliert zwischen einer Anode und Kathode und transportiert Reaktionswasser, Wärme und Verunreinigungen (Carbonate, Gelöstgase) ab. Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als reversible Brennstoffzelleneinheit 1, d. h. als Elektrolysezelleneinheit 49, betrieben werden.
Die Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 sind von fluchtenden Öffnungen 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 zur Zuführung- und Abführung der Prozessfluide Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel gebildet. Die Öffnungen 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 sind in den Bipolarplatten 10 ausgebildet. An einem äußeren Rand der Bipolarplatte 10 ist eine vollständig umlaufende Sicke 67 (7) ausgebildet. Zusätzlich ist zwischen dem äußeren Ende der Bipolarplatte 10 und der umlaufenden Sicke 67 eine nicht dargestellte äußere umlaufende Schweißnaht zur Abdichtung des Strömungsraum zwischen einer ersten Platte 65 und einer zweiten Platte 66 der Bipolarplatte 10 ausgebildet. Die Bipolarplatte 10 ist somit von der ersten Bipolarplatte 65 und der zweiten Bipolarplatte 66 gebildet, die aufeinander gestapelt sind. Die äußere umlaufende Schweißnaht dient dabei zur fluiddichten Abdichtung des Strömungsraum zwischen der ersten Platte 65 und der zweiten Platte 66 mit dem Kühlmittel und zur stoffschlüssigen Verbindung der ersten und zweiten Platte 65, 66 miteinander. An den Öffnungen 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 ist jeweils für eine Öffnung 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 eine Sicke 69 ausgebildet. Die Sicke 69 ist umlaufend an jeder Öffnung 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 vorhanden. Ein aktiver Bereich 75 ist im Wesentlichen an den übereinander liegenden Membranelektrodenanordnungen 6 mit Protonenaustauschermembranen 5 vorhanden. Die Protonenaustauschermembranen 6 sind von Subgaskets (nicht dargestellt) eingerahmt und die Subgaskets sind auch zwischen den Abdichtplatten 39 der Bipolarplatten 10 ausgebildet.
Der Betrieb, die Steuerung, die Regelung und die Überwachung der Elektrolysezelleneinheit 49, nämlich die oben beschriebene Brennstoffzelleneinheit 1, wird mit einer Recheneinheit 62, d. h. einer Steuerungs- und/oder Regeleinheit 63, ausgeführt. Die Recheneinheit 62 funktioniert zusätzlich als Überwachungseinheit 62 (Fuel Cell Control Unit) zur Überwachung von einem Parameter der elektrochemischen Zellen 52, nämlich dem Parameter der Spannung der elektrochemischen Zellen 52.
In die Bipolarplatten 10 sind elektronische Baueinheiten 70 (7 und 8) mit einem Prozessor und einem Arbeits- und Programmspeicher (nicht dargestellt) eingebaut. Hierzu sind in den Bipolarplatten 10 Aussparungen 71 (8) ausgebildet. Die in 7 und 8 dargestellte elektronische Baueinheit 70 ist in einer Richtung parallel zu den fiktiven Ebenen 59 zwischen der umlaufenden Sicke 67 und einer kurzen, lokalen Sicke 68 angeordnet. Die lokale Sicke 68 ist nur im Bereich der elektronischen Baueinheit 70 in der Bipolarplatte 10 vorhanden. Die elektronischen Baueinheiten 70 sind form- und stoffschlüssig mit den Bipolarplatten 10 verbunden. An den elektronischen Baueinheiten 70 enden die erste und zweite Platte 65, 66 der Bipolarplatte 10 und diese Kontaktflächen zwischen den Enden der ersten und zweiten Platte 65, 66 der Bipolarplatte 10 sind entsprechend fluiddicht abgedichtet. An den elektronischen Baueinheiten 70 mit einem fluiddichten Gehäuse 82 aus Kunststoff ist außenseitig ein Kontakt 72, beispielsweise ein Kontaktelement aus Metall, zur Kontaktierung der Bipolarplatte 10 ausgebildet. Dadurch kann mit dem Kontakt 72 die elektrische Spannung der Bipolarplatte 10 erfasst werden an welcher die elektronischen Baueinheit 70 befestigt ist. Von dem Kontakt 72 ist in jeder elektronischen Baueinheit 70 eine nicht dargestellte Stromleitung ausgebildet zur Leitung des elektrischen Stromes bzw. der elektrischen Spannung von dem Kontakt 72 zu einem nicht dargestellten Sensor und/oder Messvorrichtung innerhalb der elektronischen Baueinheit 70 zur Erfassung der Spannung der Bipolarplatte 10, an welcher die elektronische Baueinheit 70 ausgebildet und angeordnet ist. Zusätzlich ist an der elektronischen Baueinheit 70 eine erste Pin 73 und eine zweite Pin 74 zur Erfassung der Spannung der elektrochemischen Zelle 52 über der elektronischen Baueinheit 70, d. h. der elektrischen Spannung der Bipolarplatte 10 der elektrochemischen Zelle 52 über der elektrochemischen Zelle 52 in welcher die elektronische Baueinheit 70 angeordnet ist. Die erste und zweite Pin 73, 74 sind redundant ausgebildet, sodass bei dem Ausfall einer Pin 73, 74 die Spannung weiterhin von einer anderen, funktionsfähigen Pin 73, 74 erfasst werden kann. Die Pin 73, 74 ist in dem Zellenstack 61 in je einem Gegensteckverbinder 81 angeordnet. Die Gegensteckverbinder 81 sind in der elektronischen Baueinheit 70 über der elektronischen Baueinheit 70 mit der Pin 73, 74 ausgebildet. Die Pins 73, 74 sind mit den Gegensteckverbinder 81 mechanisch und elektrisch leitend verbunden. Die Gegensteckverbinder 81 sind elektrisch mit der Bipolarplatte 10 verbunden in welcher sich die elektronische Baueinheit 70 mit den Gegensteckverbinder 81 befindet. Damit kann von der elektronischen Baueinheit 70 die Spannung der Bipolarplatte 10 über der elektronischen Baueinheit 70 erfasst werden. Die Pins 73, 74, welche sich in dem Gegensteckverbinder 81 einer elektronischen Baueinheit 70 befinden, dienen auch zur Erfassung der elektrischen Spannung der elektrochemischen Zelle 52, d. h. der Bipolarplatte 10 der elektrochemischen Zelle 52, welche sich unter der elektronischen Baueinheit 70 befindet mit den Gegensteckverbinder 81.
Sämtliche elektronischen Baueinheiten 70 in dem Zellenstack 61 sind mit einer ersten Stromleitungen 77 und einer zweiten Stromleitung 78 miteinander elektrisch verbunden. Die Stromleitungen 77, 78 sind als Steckverbinder 79 mit der Geometrie einer Pin und als Gegensteckverbinder 80 ausgebildet. Während der Herstellung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 werden die Bipolarplatten 10 mit den integrierten elektronischen Baueinheiten 70 aufeinandergestapelt, sodass lediglich die Steckverbinder 79 in die Gegensteckverbinder 80 der Stromleitungen 77, 78 eingeführt werden für die Herstellung der 2 Stromleitungen 77, 78 zwischen den elektronischen Baueinheiten 70 der elektrochemischen Zelleneinheit 53. Dies gilt analog auch für die erste und zweite Pin 73, 74 sowie für die Gegensteckverbinder 81 zur Erfassung der Spannung der elektrochemischen Zellen 52 über und unter je einer elektronischen Baueinheit 70. Die Stromleitungen 77, 78 dienen zur Versorgung der elektronischen Baueinheiten 70 mit elektrischer Energie. Die Stromleitungen 77, 78 sind mit einer Gleichspannungsquelle (nicht dargestellt) für sämtliche elektronischen Baueinheiten 70 verbunden. Zusätzlich fungieren die Stromleitungen 77, 78 auch als Signalleitungen 77, 78. Die Spannungen in den Bipolarplatten 10 werden von Sensoren und/oder Messvorrichtungen in den elektronischen Baueinheiten 70 erfasst, in den elektronischen Baueinheiten 70 zu elektrischen Signalen umgewandelt und anschließend als Signale bzw. Datensignale in einem Bussystem 76 von den einzelnen elektronischen Baueinheiten 70 zu der Recheneinheit 62 übermittelt. Die elektronischen Baueinheiten 70 bilden somit zusammen mit den Signalleitungen 77, 78 und der Überwachungseinheit 62 als Recheneinheit 62 das Bussystem 76 zur Datenübertragung hinsichtlich des Parameters der Spannung von den einzelnen elektronischen Baueinheiten 70 zu der Recheneinheit 62 als einem Master des Bussystems 76. Optional erfolgt in den elektronischen Baueinheiten 70 zusätzlich eine Auswertung der erfassten Spannungen der Bipolarplatten 10. Beispielsweise werden von den elektronischen Baueinheiten 70 die Differenzen der Spannung jeweils zu der Bipolarplatte 10 über und unter der elektronischen Baueinheit 70 erfasst und nur bei einer Abweichung von einem Sollwertbereich der Differenz der Spannung erfolgt eine Datenübertragung als Fehlermeldung von der elektronischen Baueinheit 70 zu der Recheneinheit 62. Damit kann die Anzahl der notwendigen Datenübertragungen pro Zeiteinheit von den elektronischen Baueinheiten 70, welche in die Bipolarplatten 10 integriert sind, zu der Recheneinheit 62 wesentlich reduziert werden.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind die elektronischen Baueinheiten 70 außerhalb der äußeren Schweißnaht in den Bipolarplatten 10 angeordnet, sodass dadurch keine fluiddichte Abdichtung des Strömungsraum zwischen der ersten Platte 65 und der zweiten Platte 66 an der Aussparung 71 der je einen Bipolarplatte 10 notwendig ist.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die elektronischen Baueinheiten 70 keine erste und zweite Stromleitungen 77, 78 zur Stromversorgung und zur Datenübertragung mittels eines Bussystems 76 auf. Die elektronischen Baueinheiten 70 sind mittels des ersten und zweiten Pins 73, 74 mit einer benachbarten elektrochemischen Zelle 52 verbunden und mit dem Kontakt 72 mit der elektrochemischen Zelle 52, in welcher sich die elektronische Baueinheit 70 befindet. Die Spannungsdifferenz zwischen diesen elektrochemischen Zellen 52 wird von der elektronischen Baueinheit 70 zur Energieversorgung genutzt. Soweit die Spannungsdifferenz zwischen diesen elektrochemischen Zellen 52 nicht ausreichend für den Betrieb der elektronischen Baueinheiten 70 ist, d. h. zu klein ist, wird mit einem Gleichspannungswandler, welcher vorzugsweise in je eine elektronische Baueinheit 70 integriert ist, die vorhandene Spannungsdifferenz von beispielsweise zwischen 0,5 V und 1,0 V, auf eine elektrische Spannung beispielsweise größer als 3,3 V erhöht. Die Übertragung von Daten von der elektronischen Baueinheit 70 zu der Recheneinheit 62 wird mittels Funk ausgeführt. Hierzu sind in den elektronischen Baueinheiten 70 und in der Recheneinheit 62 entsprechende Sende- und Empfangseinheiten, insbesondere als Antennen, ausgebildet.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel umfassen die elektronischen Baueinheiten 70 zusätzlich einen Sensor zur Erfassung der Temperatur der elektronischen Baueinheiten 70. Beispielsweise bei der Anordnung der elektronischen Baueinheiten 70 in der Nähe der Fluidöffnungen 44 zur Zuführung von Brennstoff bzw. in der Nähe des Zuführkanal 44 für Brennstoff kann somit die Temperatur an dem Zuführkanal 44 für Brennstoff erfasst werden und bei einer Inbetriebnahme der elektrochemischen Zelleneinheit 53 als der Brennstoffzelleneinheit 1 und bei einem Unterschreiten eines Sollwertes von beispielsweise einer Temperatur von 3 °C wird eine elektrische Widerstandsheizung dahingehend aktiviert, bis der Sollwert dieser Temperatur überschritten ist, sodass ein Einfrieren der Kanäle 12 für Brennstoff ausgeschlossen ist.
Insgesamt betrachtet sind mit der elektrochemischen Zelleneinheit 53 wesentliche Vorteile verbunden. Parameter der elektrochemischen Zellen 52, insbesondere die Spannung und/oder die Temperatur, können einfach von den integrierten elektronischen Baueinheiten 70 in den Bipolarplatten 10 erfasst werden. Die Datenübertragung erfolgt nicht über eine große Anzahl an Stromleitungen, sondern mittels des Bussystems 76, sodass mit lediglich 2 Signalleitungen 77, 78 die Daten hinsichtlich der Parameter der elektrochemischen Zellen 52 zu der Recheneinheit 62 übertragen werden können. Damit können beispielsweise in einer Brennstoffzelleneinheit 1 mit 400 Brennstoffzellen 2 die Parameter der Spannung und der Temperatur von jeder Brennstoffzelle 2 ständig zu der Recheneinheit 62 übertragen werden. Ein aufwändiges und störungsanfälliges Verbinden der Bipolarplatten 10 während der Herstellung mit Stromleitungen zur Erfassung der Spannungen der Bipolarplatten 10 ist damit nicht notwendig.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019220527 A1 [0007]

Claims

Elektrochemische Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49), umfassend - gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen (52), wobei die elektrochemischen Zellen (52) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) umfassen, und die Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) der elektrochemischen Zellen (52) vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), Membranelektrodenanordnungen (6), Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10) sind, - Kanäle (12, 13, 14) zum Durchleiten von Prozessfluiden, - eine Überwachungseinheit (62) als Recheneinheit (62) zur Überwachung von wenigstens einem Parameter der elektrochemischen Zellen (52), - wenigstens eine Datenübertragungsvorrichtung (77, 78) zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters von den elektrochemischen Zellen (52) zu der Überwachungseinheit (62), dadurch gekennzeichnet, dass in die elektrochemischen Zellen (52) elektronische Baueinheiten (70) als Datenübertragungsvorrichtungen (70) integriert sind zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters von den elektrochemischen Zellen (52) zu der Überwachungseinheit (62).
Elektrochemische Zelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Baueinheiten (70) Bestandteil eines Bussystems (76) sind und mittels des Bussystems (76) Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters von den elektrochemischen Zellen (52) zu der Überwachungseinheit (62) übertragbar sind.
Elektrochemische Zelleneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den elektronischen Baueinheiten (70) der wenigstens eine Parameter der elektrochemische Zellen (52) auswertbar und/oder umwandelbar ist.
Elektrochemische Zelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur bei einer Abweichung des wenigstens einen Parameters von einem Sollwert und/oder einem Sollwertbereich eine Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters, insbesondere Daten zu einem möglichen Schaden der wenigstens einen elektrochemischen Zelle (52), von den elektronischen Baueinheiten (70) zu der Überwachungseinheit (62) ausführbar ist.
Elektrochemische Zelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Baueinheiten (70) in die Bipolarplatten (10) der elektrochemischen Zellen (52) integriert sind.
Elektrochemische Zelleneinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Bipolarplatten (10) Aussparungen (71), insbesondere Durchgangsbohrungen (71), vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zu fiktiven Ebenen (59) aufgespannt von den Bipolarplatten (10), ausgebildet sind und die elektronischen Baueinheiten (70) in den Aussparungen (71) angeordnet sind.
Elektrochemische Zelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in je eine elektrochemische Zelle (52) integrierte elektronische Baueinheit (70) einen elektrischen Kontakt (72) umfasst zur Erfassung der elektrischen Spannung als Parameter der elektrochemischen Zelle (52) in welche die elektronische Baueinheit (70) integriert ist und/oder zur Energieversorgung der je einen elektronischen Baueinheit (70).
Elektrochemische Zelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in je eine elektrochemische Zelle (52) integrierte elektronische Baueinheit (70) wenigstens eine Pin (73, 74) zur Erfassung der elektrischen Spannung als Parameter wenigstens einer benachbarten elektrochemischen Zelle (52) und/oder zur Energieversorgung der je einen elektronischen Baueinheit (70) umfasst.
Elektrochemische Zelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in je eine elektrochemische Zelle (52) integrierte elektronische Baueinheit (70) einen Sensor zur Erfassung der Temperatur, als Parameter der elektrochemischen Zelle (52) in welche die elektronische Baueinheit (70) integriert ist, umfasst.
Elektrochemische Zelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens 40 %, 50 %, 70 %, 80 % oder 90 % der elektrochemischen Zellen (52), insbesondere in sämtlichen elektrochemischen Zellen (52), die elektronischen Baueinheiten (70) integriert sind.
Elektrochemische Zelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Baueinheiten (70) einen Prozessor, insbesondere Mikroprozessor, und/oder einen Arbeits- und Programmspeicher umfassen.
Elektrochemische Zelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Baueinheiten (70) einen Mikrocontroller umfassen.
Elektronische Zelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Baueinheiten (70), insbesondere sämtliche elektronischen Baueinheiten (70), zueinander gestapelt angeordnet sind, so dass eine fiktive Gerade, welche senkrecht zu den fiktiven Ebenen (59) aufgespannt von den elektrochemischen Zelleneinheiten (52) ausgerichtet ist, die elektronischen Baueinheiten (70), insbesondere sämtliche elektronischen Baueinheiten (70), schneidet.
Elektrochemische Zelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Baueinheiten (70), insbesondere sämtliche elektronischen Baueinheiten (70), mit zwei Stromleitungen (77, 78) zur Energieversorgung der elektronischen Baueinheiten (70) und/oder zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters elektrisch miteinander verbunden sind.
Elektrochemische Zelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Baueinheiten (70) eine Sende- und/oder Empfangseinheit zur Übertragung von Daten hinsichtlich des wenigstens einen Parameters mittels einer Funkverbindung umfassen.