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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren
zum Messen eines inneren Widerstands einer elektrochemischen Vorrichtung.
Genauer gesagt betrifft sie ein System und ein Verfahren zum Messen
des inneren Widerstands einzelner Brennstoffzellen innerhalb eines
Brennstoffzellenstapels, wobei der Brennstoffzellenstapel unter dynamischen
Fluidflusszuständen
sowie unter sich ändernden
Lastzuständen
arbeitet, und zwar entweder während
eines Testens des Stapels oder während
einer alleinstehenden Energieerzeugung bei einer realen Anwendung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Eine
Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine
elektromotorische Kraft dadurch erzeugt, dass der Brennstoff (typischerweise Wasserstoff)
und ein Oxidiermittel (typischerweise Luft) in Kontakt mit zwei
geeigneten Elektroden und einem Elektrolyten gebracht werden. Ein
Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoffgas, wird bei einer ersten
Elektrode eingeführt,
wo er bei dem Vorhandensein des Elektrolyten elektrochemisch reagiert, um
in der ersten Elektrode Elektronen und Kationen zu erzeugen. Die
Elektronen werden von der ersten Elektrode zu einer zweiten Elektrode über eine
elektrische Schaltung zirkuliert, die zwischen den Elektroden angeschlossen
ist. Kationen laufen durch den Elektrolyten zu der zweiten Elektrode.
Gleichzeitig wird ein Oxidiermittel, wie beispielsweise Sauerstoff oder
Luft, zu der zweiten Elektrode eingeführt, wo das Oxidiermittel beim Vorhandensein
des Elektrolyten und eines Katalysators elektrochemisch reagiert, was
Anionen erzeugt und die durch die elektrische Schaltung zirkulierten
Elektronen verbraucht; die Kationen werden bei der zweiten Elektrode
verbraucht. Die bei der zweiten Elektrode oder der Kathode gebildeten
Anionen reagieren mit den Kationen, um ein Reaktionsprodukt zu bilden.
Die erste Elektrode oder die Anode kann alternativ Brennstoff- oder
Oxidierelektrode genannt werden und die zweite Elektrode kann alternativ
Oxidiermittel- oder Reduktionselektrode genannt werden. Die Halbzellenreaktionen
an zwei Elektroden sind jeweils wie folgt: H2 → 2H++ 2e– 1/2 O2 + 2H++ 2e– → H2O
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Die
externe elektrische Schaltung zieht elektrischen Strom und empfängt somit
elektrische Energie von der Zelle. Die gesamte Brennstoffzellenreaktion
erzeugt elektrische Energie, wie es durch die Summe aus den getrennten
Halbzellenreaktionen gezeigt ist, die oben geschrieben sind. Wasser
und Wärme
bzw. Hitze sind typische Nebenprodukte der Reaktion.
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In
der Praxis werden Brennstoffzellen nicht als einzelne Einheiten
betrieben. Vielmehr sind Brennstoffzellen in Reihe geschaltet, eine
auf der Oberseite der anderen gestapelt oder Seite an Seite platziert.
Eine Reihe von Brennstoffzellen, die Brennstoffzellenstapel genannt
wird, ist normalerweise in einem Gehäuse eingeschlossen. Der Brennstoff
und das Oxidiermittel werden durch Rohrverzweigungen bzw. Verteiler
zu den Elektroden geführt,
während
ein Kühlen
entweder durch die Reaktanzen oder durch ein Kühlmedium zur Verfügung gestellt
wird. Ebenso sind Stromkollektoren, Zelle-zu-Zelle-Dichtungen und eine
Isolierung mit einer erforderlichen Rohrleitung und erforderlichen
Instrumenten innerhalb des Stapels, welche extern von dem Brennstoffzellenstapel vorgesehen
sind. Der Stapel, das Gehäuse
und eine zugehörige
Hardware bilden das Brennstoffzellenmodul.
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Verschiedene
Parameter müssen überwacht werden,
um den richtigen Betrieb eines Brennstoffzellenstapels sicherzustellen
und seine Leistungsfähigkeit
auszuwerten. Diese Parameter enthalten die Spannung über jeder
Brennstoffzelle im Brennstoffzellenstapel, welche hierin nachfolgend
Zellenspannung genannt wird, und den inneren Widerstand von jeder
Brennstoffzelle.
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Kernfragen
bzw. Probleme entstehen beim Entwerfen von Systemen zum Überwachen
dieser Parameter, wie beispielsweise eine Portierbarkeit, eine Brennstoffzellenanwendbarkeit,
eine Messvielfalt, eine Auflösung,
eine Automatisierung und Kosten. Diese Kernfragen sind bis zu einem
gewissen Ausmaß in
den gemeinsam anhängigen
US-Patentanmeldungen Nr. 09/672,040 und Nr. 10/109,003 des Zessionärs angesprochen
worden, die ein selbstenthaltenes portierbares Gerät/System
zum Messen einer Brennstoffzellenimpedanz während eines Testens einer Brennstoffzelle
und ein zugehöriges
Verfahren beschreiben. Das System weist eine CPU, einen Frequenzsynthesizer,
eine Brennstoffzelle, eine Lastbank und eine Mess- und Erfassungsschaltung
auf. Die CPU empfängt
Eingangsparameter von einem Softwareprogramm und sendet die Parameter
zu einer Signalerzeugungsvorrichtung, die eine AC-Wellenform mit
einem DC-Offset erzeugt, die zum entfernten Programmieren einer
Lastbank verwendet wird. Die Lastbank zieht Strom aus der Brennstoffzelle.
Die Spannung über
der Brennstoffzelle und der Strom durch die Brennstoffzelle werden durch
eine Spannungs- und Strom-Erfassungsschaltung gemessen, dann durch
ein Oszilloskop oder einen A/D-Wandler digitalisiert und einer Durchschnittsbildung
unterzogen. Die aufgezeichneten Daten werden zu der CPU gesendet,
wo das Voreilen oder Nacheilen der AC-Phase berechnet wird. Zahlreiche
Ausgaben können
dann durch die Erfindung angezeigt werden, einschließlich einer
realen Impedanz, einer imaginären
Impedanz, einer Phasendifferenz, einer Voreilkomponente, einer Nacheilkomponente,
einer Stromgröße, einer
Spannungsgröße und einer
angelegten AC-Spannung.
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Jedoch
haben die Erfindungen der früheren Anmeldungen
eine begrenzte Anwendung bei der Messung einer Brennstoffzellenimpedanz
in Brennstoffzellenstapeln während
eines tatsächlichen
Betriebs des Brennstoffzellenstapeln (bei einem Betrieb "im Feld"). Weiterhin ist
ein Schema zum Messen des inneren Widerstands von einzelnen Brennstoffzellen innerhalb
eines Brennstoffzellenstapeln auf eine Echtzeitart in der vorherigen
Patentanmeldung nicht detailliert erörtert.
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Zum
Messen von Zellenspannungen ist eine Differentialspannungsmessung
an den zwei Anschlüssen
(d.h. Anode und Kathode) von jeder Brennstoffzelle erforderlich.
Da jedoch Brennstoffzellen in Reihe geschaltet sind, und zwar typischerweise in
einer großen
Anzahl, werden die Spannungen an einigen Anschlüssen zu hoch dafür sein,
dass sie von irgendeiner aktuell verfügbaren Halbleitermessvorrichtung
direkt gemessen werden. Beispielsweise werden für einen Brennstoffzellenstapel,
der aus 100 Zellen besteht, wobei jede Zellenspannung bei 0,95 V
ist, die aktuellen Spannungen an dem negativen Anschluss (an der
Kathode) der obersten Zelle 94,05 V (d.h. 0,95·100 – 0,95) sein. Als solches übersteigt die
Spannung die maximale zulässige
Eingangsspannung von den meisten aktuellen Differentialverstärkern, die
allgemein zum Messen einer Spannung verwendet werden.
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Die
gemeinsam anhängige
US-Patentanmeldung Nr. 09/865,562 des Zessionärs stellt eine Lösung für dieses
Problem zur Verfügung.
Diese Patentanmeldung stellt ein System zum Überwachen von Zellenspannungen
von einzelnen Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel während eines
Testens zur Verfügung;
die Inhalte der US-Patentanmeldungen
Nr. 09/865,562, 09/672,040 und 10/109,003 sind hier durch Bezugnahme
enthalten. Das System der Patentanmeldung Nr. 09/865,562 weist eine
Vielzahl von Differentialverstärkern,
einen Multiplexer, einen Analog/Digital-Wandler, eine Steuerung
und einen Computer auf. Jeder der Differentialverstärker liest die
Spannungen an zwei Anschlüssen
von jeder Brennstoffzelle. Der Analog/Digital-Wandler liest die Ausgabe
der Differentialverstärker über den
Multiplexer, der einen Zugriff auf einen von diesen Differentialverstärkern zu
irgendeiner gegebenen Zeit zur Verfügung stellt. Die digitale Ausgabe
des Analog/Digital-Wandlers wird dann zur Analyse zum Computer geliefert.
Der Computer steuert den Betrieb des Analog/Digital-Wandlers und
des Multiplexers. Jedoch misst das Spannungsüberwachungssystem in dieser Patentanmeldung
nur die DC-Spannung über
einzelnen Brennstoffzellen. Gegensätzlich dazu enthält in der
vorgenannten US-Patentanmeldung
Nr. 09/672,040, die ein Verfahren und ein System beschreibt, die
bei einem Testen einer Brennstoffzelle verwendet werden, die Messung
einer Impedanz unter einer Anwendung von sowohl AC- als auch DC-Spannungen über einem
vollständigen
Brennstoffzellenstapel, ob diese eine einzelne Brennstoffzelle oder
ein Stapel von vielen Brennstoffzellen ist.
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Somit
gibt es noch eine Notwendigkeit, für ein System, das zum Messen
eines inneren Widerstands von einzelnen Brennstoffzellen innerhalb
eines Brennstoffzellenstapels geeignet ist, und zwar insbesondere
eines Stapels, der aus einer großen Anzahl von Brennstoffzellen
besteht, während
eines aktuellen Einsatzes der Brennstoffzelle "im Feld", was entgegengesetzt zu einer kontrollierten
Testumgebung ist, die zum Zwecke eines Testens von Brennstoffzellen
verwendet wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist ein elektrochemisches System zur Verfügung gestellt. Das
elektrochemische System weist eine Vielzahl von Zellen auf; eine
Messvorrichtung, die eine Vielzahl von Eingängen enthält, die über der Vielzahl von Zellen
verbunden sind, um Spannungs- und Stromsignale zu erzeugen, die
Spannungs- und Stromkennlinien bzw. -charakteristiken der Vielzahl
von Zellen anzeigen; eine Strom-Zufuhr/Zieh-Einrichtung zum Überlagern
von modulierten Stromwerten über
die Vielzahl von Zellen; und eine Steuerung zum Steuern von wenigstens
einem Systembetriebszustand basierend auf den von der Messvorrichtung
empfangenen Spannungs- und Stromcharakteristiken, wobei die Steuerung
mit der Messvorrichtung verbunden ist.
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Der
Modulator ist vorteilhaft angeordnet und eingerichtet, um die modulierten
Stromwerte in Burstzeitperioden für eine Hochfrequenz-Widerstandsmessung
mit Zeitperioden zwischen Burstzeitperioden von keiner Überlagerung
von modulierten Stromwerten zu überlagern.
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Der
Modulator hat beispielsweise eine Stromsteuervorrichtung, die mit
einem Sinuswellengenerator gekoppelt ist, zum Erzeugen der überlagerten
Stromwerte. Irgendeine periodische Wellenform ist zum Modulieren
der Stromwerte einsetzbar, wie beispielsweise eine sinusförmige, eine
quadratische, eine dreieckförmige,
eine sägezahnförmige, eine
rechteckförmige
oder irgendeine andere gestufte Wellenform.
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Vorteilhafterweise
stellt die Messvorrichtung eine Vielzahl von primären Kanälen für die Spannungs-
und Stromsignale zur Verfügung,
wobei es einen Kanal für
die Spannung über
jede Zelle gibt und wobei die Messvorrichtung einen Teiler zum Heraustrennen
von wenigstens den DC-Komponenten der Spannungen über den
einzelnen Zellen aus den primären
Kanälen enthält, wobei
der Teiler erste Kanäle als
Ausgänge
für die
DC-Komponenten hat.
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Der
Teiler enthält
vorteilhafterweise zweite Kanäle
als Ausgänge
für die
AC-Komponenten der Spannungen über
den einzelnen Zellen.
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Die
Messvorrichtung enthält
vorteilhafterweise eine Vielzahl von Instrumentenverstärkern, die
mit den Eingängen
der Messvorrichtung verbunden sind und die Ausgänge haben, die die Vielzahl
der primären
Kanäle
zur Verfügung
stellen, und einen analogen Multiplexer, der mit wenigstens zwei
Kanälen vom
Teiler verbunden ist, wobei eine Multiplexer-Steuerleitung zwischen der Steuerung
und dem analogen Multiplexer zum Steuern des analogen Multiplexers
zum sequentiellen Umschalten zwischen den Kanälen angeschlossen ist.
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Die
Vorrichtung enthält
weiterhin vorteilhafterweise einen ersten Analog/Digital-Wandler,
der mit dem Ausgang des analogen Multiplexers verbunden ist, einen
Spannungsdatenbus, der zwischen dem ersten Analog/Digital-Wandler
und der Steuerung angeschlossen ist, und eine Analog/Digital-Steuerleitung, die
zwischen der Steuerung und dem ersten Analog/Digital-Wandler für seine
Steuerung angeschlossen ist.
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Vorteilhafterweise
ist eine Stromerfassungsvorrichtung (ein Wandler), der in Reihe
zu den einzelnen Zellen geschaltet ist, zum Messen des Stroms vorgesehen,
wobei die Stromerfassungsvorrichtung mit der Steuerung verbunden
ist. Ausgänge
der Stromerfassungsvorrichtung sind optional an einen Stromverstärker angeschlossen,
wobei der Stromverstärker
einen Ausgang für
ein Strommesssignal hat, der an die Steuerung angeschlossen ist.
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Ein
Strom-Analog/Digital-Wandler ist vorteilhafterweise mit einem Eingang
versehen, der an den Ausgang des Stromverstärkers angeschlossen ist und
der einen Stromausgang und einen Steuereingang hat, wobei ein Datenbus
den Stromausgang mit der Steuerung verbindet, und eine Analog/Digital-Steuerleitung
zwischen der Steuerung und dem Steuereingang des Strom-Analog/Digital-Wandlers vorgesehen
ist.
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Die
Steuerung enthält
optional einen Eingang, der an eine Rechenvorrichtung anschließbar ist,
zum Zuführen
von Steuersignalen zum Steuern der Steuerung.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern von wenigstens
einem Systembetriebszustand eines elektrochemischen Mehrfachzellensystems
zur Verfügung
gestellt. Das Verfahren weist folgendes auf: (a) Überlagern
von modulierten Stromwerten über
eine Vielzahl von Zellen der elektrochemischen Vorrichtung; (b)
Ziehen von Strom aus der Vielzahl von Zellen, um Spannungs- und
Stromsignale zu erzeugen, die Spannungs- und Stromcharakteristiken
der Vielzahl von Zellen anzeigen; (c) Steuern des wenigstens einen Systembetriebszustands
basierend auf den Spannungs- und Stromcharakteristiken der Vielzahl
von Zellen.
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Der
Schritt (a) wird vorteilhafterweise in Burstzeitperioden für eine Hochfrequenz-Widerstandsmessung
mit Zeitperioden zwischen Burstzeitperioden von keiner Überlagerung
von modulierten Stromwerten durchgeführt.
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Vorteilhafterweise
weist der Schritt (a) ein Steuern der Überlagerung der modulierten
Stromwerte auf, um eine Reihe von eingestellten Interferenzzuständen zur
Verfügung
zu stellen, und ein Messen für
jeden Interferenzzustand bei wenigstens einigen der Spannungs- und
Stromcharakteristiken der elektrochemischen Vorrichtung. Beispielsweise wird
eine Frequenz der überlagerten
Stromwerte variiert, werden die Spannungs- und Strommessungen und/oder
Wellenformen bei ausgewählten
Frequenzen für
die überlagerten
Stromwerte gemessen und werden reale und imaginäre Komponenten der Impedanz
der individuellen Zellen aus den gemessenen Spannungs- und Stromcharakteristiken
bestimmt. Dann wird wenigstens ein Systembetriebszustand basierend
auf den realen und imaginären
Komponenten der Impedanz der einzelnen Zellen gesteuert.
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Vorteilhafterweise
weist das Verfahren weiterhin ein Verbinden von Eingängen einer
Vielzahl von Differentialverstärkern über einzelnen
Zellen der elektrochemischen Vorrichtung, ein Messen der Spannung
und des Stroms der Zelle mit der Vielzahl von Differentialverstärkern zum
Erzeugen eines Vielzahl von Spannungs- und Stromsignalen, ein Zuführen der
Spannungs- und Stromsignale zu einem Multiplexer und ein Betätigen des
Multiplexers zum sequentiellen Zuführen der Spannungs- und Stromsignale
zu einer Steuerung zum Durchführen
des Schritts (c) auf. Optional weist das Verfahren weiterhin ein
Umwandeln von jedem Spannungs- und Stromsignal, das durch den analogen
Multiplexer ausgewählt
ist, in ein digitales Signal in einem Spannungs-Analog/Digital-Wandler
auf.
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Das
Verfahren weist weiterhin vorteilhafterweise ein Bereitstellen einer
Stromerfassungsvorrichtung, die in Reihe zu den Zellen geschaltet
ist, zum Messen des Stroms durch die Last, und ein Messen der Spannung über der
Stromerfassungsvorrichtung, um den Strom durch die Last zu bestimmen
und um dadurch ein Strommesssignal zu erzeugen auf. Das Strommesssignal
wird dann zu der Steuerung zugeführt.
Das Verfahren enthält
optional die folgenden Schritte: Umwandeln des Strommesssignals
in ein digitales Strommesssignal und Zuführen des digitalen Strommesssignals
zur Steuerung.
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Für beide
Aspekte der Erfindung müssen
die gemessenen Spannungen nicht über
jeder einzelnen Zelle sein. Es ist möglich, dass Spannungen über nur einigen
der Zellen gemessen werden könnten, und/oder
einige einzelne Spannungen könnten über einer
Gruppe von Zellen gemessen werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Für ein besseres
Verstehen der vorliegenden Erfindung und zum Zeigen, wie sie ausgeführt werden
kann, wird nun anhand eines Beispiels auf die beigefügten Zeichnungen
Bezug genommen werden, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung zeigen, und wobei:
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1 eine
schematische Ansicht eines Systems zum Messen einer Brennstoffzellenspannung und
eines Widerstands während
eines Testens einer Brennstoffzelle (eines Brennstoffzellenstapels)
gemäß dem Stand
der Technik ist;
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2a eine
schematische Ansicht eines Systems zum Messen einer Brennstoffzellenspannung
und eines Widerstands gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist;
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2b eine
schematische Ansicht eines Systems zum Messen einer Brennstoffzellenspannung
und eines Widerstands gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist; und
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3 ein
schematisches Diagramm einer Zellenstrommessung über der Zeit an einem Brennstoffzellenstapel
unter Verwendung des in den 2a und 2b gezeigten
Systems ist.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Es
wird Bezug genommen auf die 1, die eine
Vorrichtung und ein Verfahren zum Testen von Brennstoffzellen oder
Brennstoffzellenstapeln (die in der Figur allgemein mit dem Bezugszeichen 90 bezeichnet
sind) nach dem Stand der Technik darstellt. Eine Brennstoffzellen-Teststation 20 ist
mit der (den) Brennstoffzelle(n) 90, einer Lastbank 100 und
einer HFR-(Hochfrequenz-Widerstands-)Vorrichtung 80 verbunden.
Die Lastbank 100 ist eine steuerbare künstliche Last zum Bereitstellen
einer bestimmten vorkonfigurierten Lastcharakteristik zum Testen
der Brennstoffzelle(n) 90, und die HFR-Vorrichtung 80 liefert
eine konfigurierte AC-Störspannung,
um dem DC-Strom überlagert
zu werden, der durch die Lastbank 100 gezogen wird. Die
Brennstoffzelle(n) 90 ist/sind von irgendeinem Typ, der
kompatibel mit der Brennstoffzellen-Teststation ist. Die Brennstoffzelle(n) 90 ist/sind
elektrisch mit der Lastbank 100 mit Erdungsanschlüssen auf
bekannte Weise verbunden. Die Lastbank 100 ist vorteilhafterweise
eine standardmäßige Lastbank,
die eingestellt sein kann, um eine erwünschte Spannung anzulegen oder
einen erwünschten
Strom zu ziehen. Zusätzlich
ist für Strommesszwecke
eine Stromerfassungsvorrichtung 110 in der Schaltung vorgesehen,
die den Brennstoffzellenstapel 90 und die Lastbank 100 enthält, wobei die
Stromerfassungsvorrichtung 110 über der Lastbank 100 angeschlossen
ist. Die Stromerfassungsvorrichtung 110 ist beispielsweise
ein Wandler oder ein Nebenschluss bzw. Nebenwiderstand.
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Zum
Testen des Brennstoffzellenstapels 90 ist es für die Ausgabe
der Brennstoffzelle(n) 90 erforderlich, ein konstanter
DC-Pegel mit einem überlagerten
Wechselpegel zu sein. Die Brennstoffzellen-Teststation 20 steuert
die Lastbank 100 zum Ziehen eines erwünschten, normalerweise großen, DC-Stroms.
Die Lastbank 100 wird weiterhin durch die HFR-Vorrichtung 80 gesteuert,
um eine AC-Störung
zu ziehen, die dem DC-Strom überlagert
ist und allgemein relativ klein ist. Die Störwellenformfunktion kann in
einer Steuervorrichtung (nicht gezeigt) der Brennstoffzellen-Teststation 20 gespeichert
sein. Dieses Verfahren wird allgemein Hochfrequenz-Widerstandsmesstechnik
genannt.
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Nun
wird auf die 2a und 2b Bezug genommen,
die bevorzugte Ausführungsbeispiele
einer selbstenthaltenen portierbaren Vorrichtung 10 für eine Impedanzmessung
einer Brennstoffzelle bei diskreten Frequenzen und während eines
tatsächlichen Einsatzes
der Brennstoffzelle, wie es nachfolgend beschrieben ist, gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellen. Während
eines tatsächlichen
Einsatzes wird die Brennstoffzelle an eine aktuelle bzw. tatsächliche
Last angeschlossen werden, die, ungleich einer Testlast, auf unerwartete
Weisen variieren kann, die nicht einfach durch einen Anwender/Betreiber
gesteuert werden können.
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Eine
Brennstoffzellen-Energieeinheit, die allgemein unter Verwendung
des Bezugszeichens 10 in den 2a und 2b bezeichnet
ist, hat einen Brennstoffzellenstapel 90 und eine Steuervorrichtung 30 zum
Regeln des Brennstoffzellenstapels 90 gemäß vorbestimmter
Brennstoffzellen-Energieeinheitsbetriebsschemen,
die vorteilhafterweise in der Steuervorrichtung 30 gespeichert
sind. Die Steuervorrichtung 30 hat einen Messteil mit einer
Vielzahl von Eingängen
(nicht gezeigt) zum Anschluss über den
einzelnen Zellen der Brennstoffzelle (oder einer anderen elektrochemischen
Vorrichtung), um Spannungs- und Stromsignale zu erzeugen, die die
gemessenen Spannungen und Ströme
anzeigen, und einen Steuerteil, der mit dem Messteil verbunden ist und
diesen steuert, und zum Empfangen der Spannungs- und Stromsignale
von dem Messteil. Die Steuervorrichtung 30 behält somit
während
eines Betriebs der Energieeinheit 10 durch Regeln von Prozessgasflüssen, ein
Reinigen mit Wasser und andere Prozessparameter durch Manipulieren
von Vorrichtungen, wie beispielsweise Ventilatoren und Ventilen (diese
unterschiedlichen Vorrichtungen sind nicht gezeigt), das Anlagengleichgewicht.
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Die
Zellenspannungen von einzelnen Brennstoffzellen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 90 werden
beispielsweise unter Verwendung einer Bank von Differentialverstärkern (nicht
gezeigt) direkt gemessen, die Spannungssignale erzeugen. Der Strom durch
den Brennstoffzellenstapel 90 wird unter Verwendung der
Stromerfassungsvorrichtung 110 indirekt gemessen. Die Stromerfassungsvorrichtung 110 hat
einen bekannten Widerstandswert und eine induktive oder kapazitive
Komponente nahe Null und ist über
eine reine Widerstandskomponente der Lastbank auf bekannte Weise
angeschlossen. Ein Differentialverstärker (nicht gezeigt) ist an
die Stromerfassungsvorrichtung 110 angeschlossen, um den
Spannungsabfall über
der Stromerfassungsvorrichtung 110 zu messen und um ein
Strommesssignal zu erzeugen. Ausgänge der Stromerfassungsvorrichtung 110 sind
optional an einen Stromverstärker
(nicht gezeigt) mit einem Ausgang für ein Strommesssignal angeschlossen,
der an dem Steuerteil angeschlossen ist.
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Die
Steuervorrichtung 30 weist eine HFR/FCVM-(Brennstoffzellenspannungsüberwachungs-)Einheit 33 und
einen Modulator 36 auf, siehe 2a. Alternativ
dazu kann der Modulator ein Teil einer externen Vorrichtung sein,
wie beispielsweise eine Energieversorgung (nicht gezeigt), siehe 2b.
Die HFR/FCVM-Einheit misst Spannungs- und Stromsignale in der Brennstoffzelle 90 und
steuert die Erzeugung eines AC-Störstroms, der durch den Modulator 36 dem
DC-Strom überlagert
wird, der durch eine reale Last 200 gezogen wird. Der Modulator 36 hat
vorteilhafterweise eine Stromsteuervorrichtung 40, die
einen Wellenformgenerator 50 regelt, welcher wiederum die
erzeugte AC-Störung über eine
Ausgabevorrichtung 60, wie beispielsweise einen MOSFET-Transistor, ausgibt.
Die AC-Störung wird
vorzugsweise nur in Bursts, d.h. für kurze Zeitperioden, während eines
normalen Brennstoffzellenbetriebs überlagert. Typischerweise dauert
die Überlagerung
eine bestimmte vorbestimmte Anzahl von Sekunden mit einer voreingestellten
Ruheperiode zwischen Überlagerungsbursts.
Die AC-Störung
hat relativ zu dem gezogenen DC-Strom eine niedrige Amplitude und
ist somit ein Strom niedriger Erregung.
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Der
Modulator 36 hat beispielsweise eine Stromsteuervorrichtung,
die mit einem Sinuswellengenerator gekoppelt ist, zum Erzeugen der überlagerten
Stromwerte. Irgendeine periodische Wellenform ist zum Modulieren
der Stromwerte einsetzbar, wie beispielsweise eine sinusförmige, eine
quadratförmige,
eine dreieckförmige,
eine sägezahnförmige, eine
rechteckförmige
oder irgendeine andere gestufte Wellenform.
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Der
durch eine typische reale Last 200 gezogene Strom ist in 3 gezeigt.
Eine erste AC-Störung
wird während
einer Zeitperiode A erzeugt und überlagert.
Nach einer Ruheperiode R wird eine zweite AC-Störung erzeugt und überlagert,
und zwar bei dem Beispiel nachdem die reale Last 200 einen größeren DC-Strom
aus den Brennstoffzellen gezogen hat. Unter Verwendung von Spannungs-
und Stromsignalen, die durch die Steuervorrichtung 30 erhalten
sind, kann der Hochfrequenzwiderstand des Brennstoffzellenstapels
während
einer tatsächlichen Verwendung
der Brennstoffzelle in Echtzeit berechnet werden, und irgendwelche
Anormalitäten
können entweder
einem Brennstoffzellenbetreiber berichtet werden oder können automatisch
durch das Steuersystem selbst behandelt werden. Die Steuervorrichtung 30 kann
diese Anormalitäten
beispielsweise durch Einstellen der Temperatur, der Feuchtigkeit oder
der Reaktanzmittel-Flussraten innerhalb des Brennstoffzellensystems
automatisch behandeln. Alternativ dazu kann dann, wenn Alarmbedingungen existieren,
die Steuervorrichtung 30 einen Alarm aktivieren oder auf
andere Weise einen Betreiber über den
Alarmzustand benachrichtigen. Es ist zu beachten, dass die Überlagerung
der AC-Störung
entweder während
einer statischen Last oder unter dynamischen Lastzuständen durchgeführt werden
kann.
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Vorteilhafterweise
stellt der Messteil der Steuervorrichtung 30 eine Vielzahl
von primären
Kanälen
für die
Spannungs- und Stromsignale zur Verfügung, wobei es einen Kanal
für die
Spannung über jede
Zelle gibt. Der Messteil enthält
weiterhin einen Teiler (nicht gezeigt) zum Heraustrennen von DC-Komponenten der Spannungen über den
einzelnen Zellen aus den primären
Kanälen,
wobei der Kanalteiler erste Kanäle
als Ausgänge
für die
DC-Komponenten über
den einzelnen Zellen hat.
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Der
Teiler enthält
vorteilhafterweise zweite Kanäle
als Ausgänge
für die
AC-Komponenten der Spannungen über
den einzelnen Zellen.
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Vorzugsweise
wird die Überlagerung
der modulierten Stromwerte gesteuert, um eine Reihe von eingestellten
Interferenzzuständen
zur Verfügung
zu stellen. Dann werden für
jeden Interferenzzustand wenigstens einige der Spannungs- und Stromcharakteristiken
der elektrochemischen Vorrichtung gemessen. Beispielsweise wird
eine Frequenz der überlagerten
Stromwerte verändert,
werden die Spannung und der Strom und Strommessungen und/oder Wellenformen
bei ausgewählten
Frequenzen für
die überlagerten
Stromwerte gemessen und werden reale und imaginäre Komponenten der Impedanz
der einzelnen Zellen aus den gemessenen Spannungs- und Stromcharakteristiken
bestimmt. Dann kann die elektrochemische Vorrichtung teilweise auf
der Basis von diesen realen und imaginären Komponenten der Impedanz
der Zellen gesteuert werden.
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Der
Messteil enthält
weiterhin vorteilhafterweise eine Vielzahl von Instrumentenverstärkern (nicht
gezeigt), die mit den Eingängen
der Messvorrichtung verbunden sind und die Ausgänge haben, die die Vielzahl
der primären
Kanäle
zur Verfügung stellen.
Weiterhin ist ein analoger Multiplexer (nicht gezeigt) vorteilhafterweise
mit wenigstens den ersten Kanälen
von dem Kanalteiler verbunden und ist eine Multiplexer-Steuerleitung
zwischen dem Steuerteil und dem analogen Multiplexer zum Steuern
des analogen Multiplexers zum sequentiellen Umschalten zwischen
wenigstens den ersten Kanälen
angeschlossen.
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Das
Brennstoffzellensystem 10 enthält weiterhin vorteilhafterweise
einen ersten Analog/Digital-Wandler (nicht gezeigt), der mit dem
Ausgang des analogen 12-Multiplexers verbunden ist, einen Spannungsdatenbus
(nicht gezeigt), der zwischen dem ersten Analog/Digital-Wandler
und dem Steuerteil angeschlossen ist, und eine Analog/Digital-Steuerleitung
(nicht gezeigt), die zwischen dem Steuerteil und dem ersten Analog/Digital-Wandler
zur Steuerung desselben angeschlossen ist.
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Ein
Strom-Analog/Digital-Wandler (nicht gezeigt) ist vorteilhafterweise
vorgesehen, der einen Eingang hat, der an den Ausgang des Stromverstärkers angeschlossen
ist und der einen Stromausgang und einen Steuereingang hat. Ein
Datenbus (nicht gezeigt) verbindet den Stromausgang mit der Steuerung,
und eine Analog/Digital-Steuerleitung ist zwischen der Steuerung
und dem Steuereingang des Strom-Analog/Digital-Wandlers vorgesehen.
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Eine
Stromerfassungsvorrichtung (ein Wandler) ist vorteilhafterweise
in Reihe geschaltet zu den einzelnen Zellen zum Messen des Stroms
vorgesehen. Die Stromerfassungsvorrichtung ist mit der Steuerung
verbunden. Ausgänge
der Stromerfassungsvorrichtung sind optional mit einem Stromverstärker verbunden,
der einen Ausgang hat, der an die Steuerung zum Liefern eines Strommesssignals
zur Steuerung angeschlossen ist.
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Ein
Strom-Analog/Digital-Wandler ist vorteilhafterweise vorgesehen,
der einen Eingang hat, der an den Ausgang des Stromverstärkers angeschlossen
ist, und der einen Stromausgang und einen Steuereingang hat, wobei
ein Datenbus den Stromausgang mit der Steuerung verbindet und eine
Analog/Digital-Steuerleitung zwischen der Steuerung und dem Steuereingang
des Strom-Analog/Digital-Wandlers vorgesehen ist.
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Der
Steuerteil enthält
optional einen Eingang, der an eine Rechenvorrichtung (nicht gezeigt) zum
Zuführen
von Steuersignalen zum Steuern des Steuerteils anschließbar ist.
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Vorzugsweise
wird jede Zelle der elektrochemischen Vorrichtung durch Messen von
jeder Spannung über
der einzelnen Zelle kalibriert. Die Zellenspannung für jede Brennstoffzelle,
die durch einen gegebenen Differentialverstärker gemessen ist, kann dann
unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden: VR =
VA·VA/D/[VA/D(VA) – VA/D(V0)] – VOFF (1)wobei:
- VR
- die kalibrierte gemessene
Zellenspannung ist;
- VA/D
- der Ausgangswert des
A/D-Wandlers 70 während
einer Zellenspannungsmessung ist;
- VA
- die Spannung ist,
die differentiell an die Eingänge
des Differentialverstärkers während einer
Kalibrierung angelegt ist;
- VA/D(VA)
- der Ausgangswert des
A/D-Wandlers 70 ist, wenn VA während einer
Kalibrierung an die Eingänge
des Differentialverstärkers
angelegt ist;
- VA/D(V0)
- der Ausgangswert des
A/D-Wandlers 70 ist, wenn die Eingänge des Differentialverstärkers während einer
Kalibrierung an die Erdung gebunden sind;
- VOFF
- die Spannungsausgabe
des Differentialverstärkers
ist, wenn die Eingaben des Differentialverstärkers während einer Kalibrierung an
die Erdung gebunden sind.
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Die
vorliegende Erfindung verwendet allgemein verfügbare Bauteile, die teuer sind
und keinerlei Hardwareeinstellungen erfordern. Die vorliegende Erfindung
sorgt auch für
ein einfach zu verwendendes und hochgenaues Messsystem. Weiterhin
hat die vorliegende Erfindung im Vergleich mit existierenden Zellenspannungs-
und Widerstands-Messsystemen weniger Bauteile bzw. Komponenten,
was die Gesamtgröße des Systems
signifikant reduziert. Zusätzlich
lässt die
vorliegende Erfindung auch eine Echtzeitmessung zu, die kontinuierlich
aktualisiert werden kann. Die Messung kann automatisiert sein, um
eine Messgeschwindigkeit und eine Einfachheit zu verbessern. Diese
Erfindung ist insbesondere zum Messen von einer jeweiligen Zellenspannung oder
einem jeweiligen Spannungsabfall von jeder Gruppe von Brennstoffzellen
innerhalb eines großen Brennstoffzellenstapels
vorteilhaft, der aus einer großen
Anzahl von Brennstoffzellen besteht.
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Es
sollte erkannt werden, dass, obwohl die vorliegende Erfindung primär für ein Messen
einer Brennstoffzellenspannung und eines inneren Widerstands beabsichtigt
ist, sie auch auf ein Messen der Spannung und des Widerstands von
irgendeiner Art von einer elektrochemischen Mehrzellenvorrichtung anwendbar
ist, und Beispiele von anderen solchen Vorrichtungen sind Batterien
13 (sowohl Elementen-Batterien als auch Sammelbatterien) und Elektrolysegeräte. Natürlich wird
in dem Fall eines Elektrolysegeräts
die Last mit einer Quelle ersetzt, die elektrische Energie zum Elektrolysegerät liefert.
Für Sammelbatterien
oder wiederaufladbare Batterien kann die vorliegende Erfindung dazu
verwendet werden, Batterieeigenschaften in sowohl Lade- als auch
Entlademoden zu überwachen.
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Während die
Erfindung mit Spannungen und Stromwerten beschrieben worden ist,
die über
oder durch einzelne Brennstoffzellen gemessen werden, ist es weiterhin
nicht immer nötig,
die Werte für
jede einzelne Zelle zu messen. In Abhängigkeit von der bestimmten
elektrochemischen Vorrichtung und ihrem Aufbau kann es in einigen
Fällen
erwünscht
oder ausreichend sein, Werte über
Gruppen von Zellen, wie z.B. über
Gruppen von 2, 3 oder 4 Zellen beispielsweise, zu messen.
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Es
sollte weiterhin verstanden werden, dass von Fachleuten auf dem
Gebiet verschiedene Modifikationen an dem bevorzugten Ausführungsbeispiel durchgeführt werden
können,
das hierin beschrieben und dargestellt ist, ohne von der vorliegenden
Erfindung abzuweichen, von welcher der Schutzumfang in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist.
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Zusammenfassung
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Es
sind ein Verfahren und ein System zum Messen von Impedanz- und Spannungscharakteristiken
von einzelnen Zellen von elektrochemischen Mehrfachzellenvorrichtungen,
wie beispielsweise einer Batterie oder eines Brennstoffzellenstapels,
zur Verfügung
gestellt. Das elektrochemische System weist eine Vielzahl von Zellen;
eine Messvorrichtung, die eine Vielzahl von Eingängen enthält, die über die Vielzahl von Zellen
verbunden sind, um Spannungs- und
Stromsignale zu erzeugen, die Spannungs- und Stromcharakteristiken
der Vielzahl von Zellen anzeigen; eine Strom-Zufuhr/Zieh-Einrichtung
zum Überlagern
von modulierten Stromwerten durch die Vielzahl von Zellen; und eine
Steuerung zum Steuern von wenigstens einem Systembetriebszustand
basierend auf den von der Messvorrichtung empfangenen Spannungs-
und Stromcharakteristiken, wobei die Steuerung mit der Messvorrichtung
verbunden ist, auf. Das Verfahren weist (a) ein Überlagern von modulierten Stromwerten über einer
Vielzahl von Zellen der elektrochemischen Vorrichtung; (b) ein Ziehen
von Strom aus der Vielzahl von Zellen zum Erzeugen von Spannungs-
und Stromsignalen, die Spannungs- und Stromcharakteristiken der
Vielzahl von Zellen anzeigen; und (c) ein Steuern des wenigstens
einen Systembetriebszustands basierend auf den Spannungs- und Stromcharakteristiken
der Vielzahl von Zellen auf.