DE202021101046U1 - Device for checking fuel cell stacks - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Überwachung sowie zur Fertigungskontrolle eines Brennstoffzellenstapels (21), wobei der Brennstoffzellenstapel (21) eine Vielzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Einzelzellen (1) umfasst, und wobei die Vorrichtung eine Spannungsquelle (23) umfasst, die mit dem Brennstoffzellenstapel (21) verbunden ist, und wobei die Vorrichtung Spannungsmesseinrichtungen (4) umfasst, die die an den Einzelzellen (1) abfallende Spannung und/oder die Kapazität der Einzelzellen (1) misst, und wobei die Vorrichtung einen Zellmonitor (20) umfasst, welcher die Einzelzellen (1), bei denen die gemessene Spannung bzw. die gemessene Kapazität außerhalb vorgegebener Grenzen liegt, markiert und einen Warnwert ausgibt, wenn mindestens eine vorgegebene Anzahl von Einzelzellen (1) markiert wurde. Device for monitoring and production control of a fuel cell stack (21), wherein the fuel cell stack (21) comprises a plurality of individual cells (1) electrically connected in series, and wherein the device comprises a voltage source (23) which is connected to the fuel cell stack (21) and wherein the device comprises voltage measuring devices (4) which measure the voltage dropping across the individual cells (1) and / or the capacitance of the individual cells (1), and wherein the device comprises a cell monitor (20) which measures the individual cells (1 ), at which the measured voltage or the measured capacitance lies outside the specified limits, marked and outputs a warning value if at least a specified number of individual cells (1) has been marked.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Überprüfung von Brennstoffzellenstapeln, die auch Brennstoffzellenstacks oder vereinfacht Stack genannt werden. Dabei ist die Überprüfung und vor allem die Kontrolle dieser Bauteile im Anschluss an die Fertigung und die Endmontage von besonderem Interesse.The present invention relates to a device for checking fuel cell stacks, which are also called fuel cell stacks or simply stacks. The review and, above all, the control of these components after production and final assembly is of particular interest.
Stand der TechnikState of the art
Brennstoffzellenstapel bestehen aus vielen Einzelzellen, welche zu einem größeren Verbund in Reihe geschaltet werden. Zur Überwachung, Steuerung oder Regelung dieser Systeme ist es von Vorteil, nicht nur die Betriebsparameter des gesamten Zellstapels zu kennen, sondern auch die Betriebsparameter jeder Einzelzelle innerhalb dieses Zellstapels (Stacks), um fehlerhafte Zellen schnell, zuverlässig und preiswert erkennen zu können. Sogenannte CVM Systeme (Cell Voltage Monitor Systeme) dienen der Messung der Spannung oder anderer Betriebsparameter einzelner Zellen innerhalb eines Stacks. Damit kann neben der Fertigungskontrolle der Brennstoffzellen bzw. des Brennstoffzellenstapels auch eine Optimierung des Fertigungsprozesses sowie eine Anpassung der Prozessparameter vorgenommen werden.Fuel cell stacks consist of many individual cells, which are connected in series to form a larger network. To monitor, control or regulate these systems, it is advantageous not only to know the operating parameters of the entire cell stack, but also the operating parameters of each individual cell within this cell stack, in order to be able to identify faulty cells quickly, reliably and inexpensively. So-called CVM systems (Cell Voltage Monitor Systems) are used to measure the voltage or other operating parameters of individual cells within a stack. In addition to checking the production of the fuel cells or the fuel cell stack, this also enables the production process to be optimized and the process parameters to be adapted.
Im laufenden Betrieb des Brennstoffzellenstapels wird das Zellenüberwachungssystem oder auch Zellmonitorsystem eingesetzt, um den Betrieb zu überwachen bzw. zu steuern und zu regeln. Dabei kann entweder das Zellmonitorsystem verwendet werden, das als Bestandsteil der Brennstoffzellenstapels in diesem integriert ist, oder es wird ein externer Zellenmonitor verwendet.While the fuel cell stack is in operation, the cell monitoring system or cell monitor system is used to monitor or control and regulate the operation. Either the cell monitor system, which is integrated into the fuel cell stack as part of the stack, or an external cell monitor can be used.
Aus
Aus der
Weit verbreitet sind Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen. Diese bestehen aus einer Anode (Brennstoffelektrode), einer Kathode (Luftelektrode) und einer Elektrolyt-Membran, welche zwischen der Anode und der Kathode platziert ist. Zwischen den einzelnen Zellen werden Separatoren angeordnet, welche aus einem gut leitfähigen Material bestehen.Polymer electrolyte fuel cells are widely used. These consist of an anode (fuel electrode), a cathode (air electrode) and an electrolyte membrane, which is placed between the anode and the cathode. Separators made of a highly conductive material are arranged between the individual cells.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in erster Linie in der Kontrolle und der Überprüfung eines Brennstoffzellenstapels am Ende des Fertigungsprozesses. Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Überwachung und der Optimierung des Fertigungsprozesses. Dazu werden am Ende des Fertigungsprozesses individuelle Bauteilparameter erfasst und diese Parameter für die Fertigungskontrolle analysiert. Diese Parameter werden mit Hilfe eines Zellenmonitorsystems erfasst. Bei vielen Brennstoffzellenstapeln ist das Zellenmonitorsystem bereits in den Brennstoffzellenstapel integriert.The object of the present invention is primarily to control and check a fuel cell stack at the end of the manufacturing process. Another object of this invention is to monitor and optimize the manufacturing process. For this purpose, individual component parameters are recorded at the end of the production process and these parameters are analyzed for production control. These parameters are recorded with the aid of a cell monitor system. In many fuel cell stacks, the cell monitor system is already integrated into the fuel cell stack.
Detaillierte BeschreibungDetailed description
Der Zellmonitor dient der Messung der Spannungen der Einzelzellen während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels. Der Betrieb des Brennstoffzellenstapels setzt eine Versorgung des Zellenstapels mit den Reaktionsedukten voraus, wie beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Umgebungsluft. Dies ist für die Fertigungskontrolle nur schwer zu realisieren, da eine Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit einem großen Aufwand verbunden ist. Stattdessen kann mit Hilfe einer externen Spannungsquelle eine elektrische Spannung an die Endplatten des Zellenstapels angelegt werden. Die Spannungen sowie weitere elektrische Parameter, welche an den einzelnen Zellen der Brennstoffzelle abfallen, können dann mit dem Zellenmonitor erfasst werden.The cell monitor is used to measure the voltages of the individual cells while the fuel cell stack is in operation. The operation of the fuel cell stack requires the cell stack to be supplied with the reactants, such as hydrogen and oxygen or ambient air. This is difficult to implement for production control, since supplying the fuel cell stack is associated with a great deal of effort. Instead, an electrical voltage can be applied to the end plates of the cell stack with the aid of an external voltage source. The voltages and other electrical parameters that drop across the individual cells of the fuel cell can then be recorded with the cell monitor.
Idealerweise sind sämtliche Parameter einer Einzelzelle identisch mit den Parametern der benachbarten Einzelzellen. In der Realität zeigt sich jedoch, dass aufgrund von Fertigungstoleranzen und Produktionsstreuungen mit Abweichungen in den Parametern zu rechnen ist. Diese Abweichungen können vielfältige Ursachen haben. Variiert die Dicke der Elektrolyt-Membran der einzelnen Zellen, so führt dies zu einer Änderung der Kapazität. Materialeigenschaften, vor allem hinsichtlich der Diffusionseigenschaften der Elektroden oder der Membran oder hinsichtlich des ohmschen Widerstands, können durch die Analyse der Widerstandswerte erfasst werden.Ideally, all parameters of an individual cell are identical to the parameters of the neighboring individual cells. In reality, however, it has been shown that due to manufacturing tolerances and production variations, deviations in the parameters must be expected. These deviations can have various causes. If the thickness of the electrolyte membrane of the individual cells varies, this leads to a change in the capacitance. Material properties, especially with regard to the diffusion properties of the electrodes or the membrane or with regard to the ohmic resistance, can be recorded by analyzing the resistance values.
Eine wesentlich detailliertere Betrachtung führt zu einem komplexeren Ersatzschaltbild einer Einzelzelle
Das vereinfachte Ersatzschalbild einer Einzelzelle aus
Zur Überprüfung des Brennstoffzellenstapels
Mit Hilfe des Zellenüberwachungssystems (cell voltage monitoring: CVM) bzw. des Zellmonitors
Ein Kurzschluss zwischen zwei Bipolarplatten kann ebenso wie eine fehlerhafte Kontaktierung der Bipolarplatten mit dem Zellmonitorsystem
Alternativ kann mit Hilfe des mit dem Zellenmonitor
Sobald für einen Brennstoffzellenstapel
Zusätzlich zur Spannungsmessung bzw. zur Messung des Widerstands der Einzelzellen
Für die Kapazität ist die Dielektrizitätskonstante des Materials, das den Raum zwischen den beiden Platten ausfüllt, von großer Bedeutung. Dabei ist davon auszugehen, dass die Fläche der Bipolarplatten im Wesentlichen für alle Zellen eines Brennstoffzellenstapel identisch ist. Der Abstand der Platten ändert sich hingegen mit der Dicke der Elektrolyt-Membran, welche fertigungsbedingt gewissen Schwankungen unterworfen ist. Schädigungen der Membran, wie beispielsweise Löcher, haben ebenfalls Einfluss auf die Kapazität und können somit gleichfalls erfasst werden. Ebenso können abweichende Materialeigenschaften, wie beispielsweise ein fehlerhaftes Dickenmaß der Membran, mittels der Kapazitätsmessung erkannt werden. Mit dieser Vorgehensweise kann mit einfachen und kostengünstigen Mitteln am Ende der Fertigung die Kapazität der einzelnen Zellen bestimmt werden.The dielectric constant of the material that fills the space between the two plates is of great importance for the capacitance. It can be assumed that the area of the bipolar plates is essentially identical for all cells of a fuel cell stack. The distance between the plates, on the other hand, changes with the thickness of the electrolyte membrane, which is subject to certain fluctuations due to production. Damage to the membrane, such as holes, also has an impact on the capacitance and can therefore also be recorded. Likewise, deviating material properties, such as an incorrect thickness dimension of the membrane, can be recognized by means of the capacitance measurement. With this procedure, the capacity of the individual cells can be determined with simple and inexpensive means at the end of production.
Die Kapazität der Einzelzellen
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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WO2023198490A3 (en) * | 2022-04-14 | 2024-01-18 | Robert Bosch Gmbh | Production method and production system for producing a fuel cell stack |
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