DE4338178C2 - Anordnung zur Überwachung des Zustands von Brennstoffzellen-Modulen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Überwachung des Zustands von Brennstoffzellen einer Brennstoffzellen-Batterie, bei der die Brennstoffzellen in wenigstens zwei parallel geschalteten Reihen mit jeweils gleicher Anzahl in den Reihen hintereinander geschaltet sind und bei der die Reihen in Zweige einer Brückenschaltung aufgeteilt und mit wenigstens einer Auswertanordnung verbunden sind, die die zwischen den beiden Zweigen abgegriffene Spannung oder den Strom auswertet und bei Abweichungen über zulässige Grenzen hinaus eine Fehlermeldung erzeugt und/oder die Brennstoffzellen-Batterie abschaltet.

Mit dieser Anordnung können die Einflüsse von Parameteränderungen einzelner oder mehrerer Brennstoffzellen, die in Reihe mit einer großen Anzahl von Brennstoffzellen geschaltet sind, auf relativ einfache Weise festgestellt werden. Wenn sich die Änderungen unerwünscht stark auf die von der Reihenschaltung abgegebenen Ströme bzw. Spannungen auswirken, kann die betroffene Reihenschaltung der Brennstoffzellen bei entsprechendem schaltungstechnischem Aufbau der Brennstoffzellen abgeschaltet und ausgewechselt werden.

Eine solche Anordnung zur Überwachung des Zustands von Brennstoffzellen einer Brennstoffzellen-Batterie ist aus der DE 21 48 628 A1 bekannt. Nach dieser Schrift werden zwei Zellen oder Zellengruppen in zwei nebeneinanderliegende Zweige einer Brückenschaltung geschaltet. Nach der Terminologie dieser Schrift entsprechen die genannten Zellengruppen Spannungsteilen der Batterie. Das in der genannten Schrift vorgestellte Verfahren beruht darauf, dass zwei Spannungsteile einer Batterie an einer Messbrücke mit ihrem Mittelwert verglichen werden. Die Differenz zwischen beiden Messwerten - die Brückenspannung - ist gleich Null, wenn sich noch keine Zellenspannung gegenüber dem Mittelwert verringert hat (abgeglichene Brücke). Der Momentanwert der Brückenspannung wird als Maß für die einzelnen Zellenspannungsänderungen vom Mittelwert ausgewertet.

Weiterer Stand der Technik ist aus der DE 31 46 141 A1 bekannt. Nach dieser Schrift wird eine Batterie während des Betriebes auf das Ausfallen einzelner Batteriezellen überwacht. Dazu wird die Symmetrie der Batterie überwacht und ausgewertet, indem die Batterie aus wenigstens zwei gleichen in Reihe geschalteten Batterieteilen gebildet wird und an den elektrischen Anschlüssen der einzelnen Batterieteile elektrische Leitungen angeschlossen sind, die mit einer Schaltungsanordnung zur Messung der Differenzspannung zwischen jeweils zwei Batterieteilen elektrisch verbunden sind. Aus der Differenz zwischen zwei Batterieteilen können Rückschlüsse auf den Zustand der Batterieteile bezogen werden.

Die Erfindung bezieht sich, im Allgemeinen, auf eine Anordnung zur Überwachung des Zustands von Brennstoffzellen in einer Brennstoffzellen-Batterie.

Da die Brennstoffzellen die Energie eines Brennstoffs und eines Oxidations­ mittels in einem isothermen Prozeß kontinuierlich in elektrische Energie umwandeln, gelten für sie nicht die Bedingungen des Carnot-Wirkungs­ grads, d. h. es lassen sich relativ hohe Wirkungsgrade erzielen. Es stehen Brennstoffzellen für Arbeitstemperaturen von 20 bis 100°C, 200 bis 600°C und 800 bis 1000°C zur Verfügung. Die Hochtemperaturzellen, die im Tem­ peraturbereich von 800 bis 1000°C arbeiten, weisen Festelektrolyte, z. B. ZrO₂, Y₂O₃, auf. Bedingt durch das Elektrolytmaterial, das Kathoden- und Anodenmaterial und dem mit der Zufuhr der Reaktionsgase und der Ablei­ tung der Gase nach der Reaktion zusammenhängenden konstruktiven Aufbau ergeben sich gewisse günstige geometrische Abmessungen von Brennstoff­ zellen. Durch diese Abmessungen ist die Leistung festgelegt. Festelektro­ lyt-Brennstoffzellen üblicher Größe haben derzeit z. B. Leerlaufspannungen von 1 V und Bemessungsspannungen von 0,7 V bei einem Bemessungsstrom von 24 A. Es ist möglich, daß in Zukunft Brennstoffzeilen mit höheren Leerlauf- und Bemessungsspannungen verfügbar sein werden. Um größere Leistungen zu erzeugen, müssen zahlreiche Brennstoffzellen miteinander elektrisch verbunden werden. Da im allgemeinen höhere Betriebsspannungen als 1 V benötigt werden, werden auf der untersten Ebene von aus Brennstoffzellen aufgebauten elektrischen Energieerzeugern Einzelzellen zu sogenannten "Stacks" in Reihe geschaltet.

Diese Stacks können - aber müssen nicht - als Monolithe ausgebildet sein. Diesen Monolithen werden die umzusetzenden Gase über Zuleitungen, sog. Manifolds oder Kappen, zugeführt. Die Kappen werden dicht an die Stackflächen angeschlossen. Ein Stack hat z. B. ein kubisches oder quaderförmiges Gehäuse, das an drei oder vier Seiten mit Kappen verbunden ist, an die Rohrleitungen für die zu verbrennenden oder abzuführenden Gase angeschlossen sind.

Um noch größere Leistungen zu erzielen, werden die "Stacks" zu Modulen verbunden, die in einer gemeinsamen Einheit angeordnet sind. Die Module sind bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen thermisch isoliert und stellen eine kleinste für sich transportierbare Einheit dar. Eine solche Einheit kann bedarfsweise aus einer Anlage, die mehrere solche Einheiten enthält, herausgelöst und z. B. zur Reparaturzwecken in die Fabrikationsstelle zurücktransportiert werden. Eine Energieerzeugungsanlage besteht aus mehreren Modulen, wobei aus Redundanzgründen wenigstens zwei vorhanden sein sollen.

Ein Stack besteht beispielsweise aus 50 Zellen und hat eine Leistung von rund 850 W bei Abmessungen von 10.10.10 cm³. Jede Zelle hat eine Leerlaufspannung von 1 V und eine Bemessungsspannung von 0,7 V. Für den Stack ergibt sich eine Leerlaufspannung von 50 V und eine Bemessungsspannung von 35 V bei einem Bemessungsstrom von 24 A. Der Innenwiderstand beträgt dann 0,6 Ω.

Diese Stacks werden dann z. B. auf der nächsten Integrationsebene zu "Modulen" verschaltet. Als Beispiel diene ein 100 kW-Modul, bestehend aus 128 Stacks, die zu acht "Säulen" mit je 16 Stacks in Serie verschaltet sind. Diese 128 Stacks sind zu einer gemeinsamen Einheit, die thermisch isoliert ist, zusammengebaut. Diese Einheit kann im Falle eines Defekts von der Energieerzeugungsanlage abgebaut werden, solange sie innen noch auf Betriebstemperatur (1000°C) ist. Sie wird durch eine Reserveeinheit ersetzt, so daß der Betrieb bereits nach kurzer Zeit wieder aufgenommen werden kann (im günstigen Fall kann das Abtrennen sogar während des Betriebes mit verringerter Leistung durchgeführt werden). Die defekte Einheit kann dann langsam auf Raumtemperatur abkühlen, bevor sie transportiert wird.

Wird nun gemäß diesem Aufbau eine 1 MW-Anlage gebaut, so beinhaltet diese 10 Module mit insgesamt 1280 Stacks, bzw. ingesamt 64.000 einzelne Zellen.

Brennstoffzellen können im Laufe der Zeit ihre charakteristischen Eigenschaften ändern. Unter Umständen sind die Änderungen so gravierend, daß die jeweilige Brennstoffzelle nicht mehr für die Energieversorgung geeignet ist. Tritt bei einer Brennstoffzelle in einer der oben erwähnten Reihenschaltungen eine solche unzulässige Eigenschaft auf, dann kann die einwandfreie Arbeitsweise des zugeordneten Stacks beeinträchtigt oder gestört werden. Um zu verhindern, daß durch störende Parameteränderungen an Brennstoffzellen die Arbeitsweise von Modulen beeinträchtigt wird, können die Brennstoffzellen während des Betriebes, z. B. durch Messung der Betriebsspannung und Vergleich mit dem Nennwert überwacht werden. Bei einer großen Anzahl von Brennstoffzellen ergibt sich dabei ein sehr großer Überwachungsaufwand.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung zu entwickeln, mit der die Arbeitsweise von einer Anzahl mit einander verbundener Brennstoffzellen ohne großen Aufwand überwacht werden kann und mit der zwischen betrieblich normalen Veränderungen in den Zellen, einer langsamen Degradation der Zellen einerseits und akuten Schädigungen der Zellen andererseits unterschieden werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass sowohl die Größe der Spannung oder des Stroms der Brückendiagonalen als auch der zeitliche Verlauf der Spannung der Brückendiagonalen mit wenigstens einem vorgegebenen Wert verglichen werden.

In den Zweigen der Brückenschaltung sind insbesondere jeweils zwei oder mehr der oben erwähnten "Stacks" in Reihe angeordnet.

Durch die vorstehend beschriebene Art der Auswertung der Brückendiago­ nalspannung kann zwischen betrieblich normalen Veränderungen in den Zellen (wie beispielsweise Differenzen in der Temperatur, der Strömungs­ geschwindigkeit des Brenngases oder des Oxidants, der Gasnutzung, etc.), einer langsamen Degradation der Zellen einerseits und akuten Schädigungen der Zellen (wie Bruch des Elektrolyten, Ablösung von Elektroden, Auftrennen von elektrischen Anschlüssen, Kurzschlüssen etc.) andererseits unterschieden werden.

Zwischen den vorstehend erwähnten "normalen" und den "gestörten" Betriebsfällen ergeben sich deutliche Unterschiede in der Größe der Spannung und/oder im Verlauf der Spannung der Brückendiagonalen. Aus der langsamen Verstimmung der Brücke kann auf den allgemeinen Zustand der Stacks geschlossen werden, während kurzfristige Änderungen Zeichen für akute Schäden sind und direkt zu Warnungen oder Abschaltungen des Systems führen müssen. Mit Schwellenwertdiskriminatoren, die für deutlich unterschiedliche zeitliche Veränderungen der Meßsignale an den Brückendiagonalen bestimmt sind, werden solche Fehler erfaßt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden eine Anzahl paralleler Reihen mit hintereinander geschalteten Brennstoffzellen zeitmultiplex mit der Auswertanordnung verbunden.

Die zeitmultiplexe Erfassung der Brückendiagonalspannungen kann in so kurzen Zeitabständen erfolgen, daß sich auch schnelle Änderungen der Brückendiagonalspannungen, d. h. Störungen des normalen Betriebsverlaufs ohne einen ins Gewicht fallenden Zeitverzug, erfassen lassen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen aus Brennstoffzellen bestehender Modul im Schema;

Fig. 2 eine Anordnung zur Überwachung des Zustands von Brennstoff­ zellen, die in einem Modul angeordnet sind und

Fig. 3 einen aus Brennstoffzellen aufgebauten Zweig einer Brücke, an dem eine Spannung zu Überwachungszwecken abgegriffen wird.

Brennstoffzellen setzen die Energie eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in einem isothermen Prozeß kontinuierlich in elektrische Energie um. Dabei wird ein invariantes Elektroden-Elektrolyt-System verwendet.

Eine aus einzelnen Brennstoffzellen bestehende Brennstoffzellen-Batterie 1 enthält einzelne Gruppen bzw. "Stacks" 2 von Brennstoffzellen, die jeweils n (n = 5) in Reihe geschaltete Brennstoffzellen aufweisen. Es sind wiederum s (s = 4) Stacks 2 in Reihe geschaltet. Jeweils vier in Reihe geschaltete Stacks 2 sind in einer Parallelschaltung mit Reihenschaltungen von anderen Stacks verbunden. Als Brennstoffzellen werden insbesondere Festelektrolyt-Brennstoffzellen verwendet.

Die Fig. 1 zeigt acht Reihenschaltungen von je vier Stacks. Diese acht Reihenschaltungen von je vier Stacks sind parallel geschaltet und bilden ein Modul. Wenn größere Leistungen verlangt werden, wird die Anzahl der Stacks in der Reihenschaltung und die Anzahl der parallel geschalteten Gruppen entsprechend vergrößert.

Von den in Reihe geschalteten Stacks werden an bestimmten Stellen Spannungen zu Meßzwecken abgegriffen. Die Abgriffstellen sind so gelegt, daß die Brennstoffzellen-Batterie oder Teile der Brennstoffzellen-Batterie hinsichtlich der Spannungsmessung als Brücken- oder H-Schaltung aufgefaßt werden können. In Fig. 1 sind von den acht Reihenschaltungen, die je vier Stacks 2 haben, jeweils vier zu einer Brückenhälfte zusammengefaßt, bei der in der Mitte, d. h. zwischen den oberen beiden und den unteren beiden Stacks 2, eine leitende Verbindung 3 bzw. 4 vorgesehen ist. Von diesen leitenden Verbindungen 3, 4 bzw. ihren Anschlußstellen an den Verbindungsleitungen zwischen zwei in Reihe geschalteten Stacks gehen Leitungen 5, 6 zu einer Auswertanordnung 7, die in Fig. 1 schematisch durch ein Anzeigegerätsymbol dargestellt ist.

Die Fig. 2 zeigt einen detaillierten schaltungstechnischen Aufbau einer Überwachungsanordnung für eine Brennstoffzellen-Batterie, die aus einzelnen Brennstoffzellen 8 aufgebaut ist. Die Brennstoffzellen-Batterie speist einen Verbraucher 9. Die Auswertanordnung 7 enthält einen Schreiber 10, mit dem der Spannungsverlauf an der Brückendiagonalen aufgezeichnet wird. Die Brückendiagonalspannung wird unmittelbar einem Schwellenwertdiskriminator 12 zugeführt, mit dem langsame Veränderungen der Brückendiagonalspannung erfaßt werden. Die eingestellte Spannungsgrenze ist z. B. auf Spannungsänderungen eingestellt, die an normale betriebliche Veränderungen angepaßt sind, die sich durch Differenzen in der Temperatur, der Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases oder des Oxidants der Gasnutzung usw. ergeben. Wenn diese Parameter sich so stark ändern, daß die Arbeitsweise der Brennstoffzellen- Batterie beeinträchtigt wird, dann wird durch Über- oder Unterschreiten der Grenzwerte des Schwellenwertdiskriminators 11 eine Fehlermeldung erzeugt und gegebenenfalls die Brennstoffzellen-Batterie 1 abgeschaltet. Die Abschaltung ist den Gegebenheiten der Brennstoffzellen-Batterie angepaßt und kann bedarfsweise die Abschaltung des Verbrauchers 9 über einen Schalter 12 oder die Unterbrechung der Gaszufuhr für die Speisung der Batterie beinhalten.

Ein zweiter Schwellenwertdiskriminator 13 mit einer oberen und unteren Spannungsgrenze überwacht schnelle Änderungen der Brückendiagonalspannung. Die Überwachung schneller Vorgänge ist durch einen im Zuge der Leitungsverbindung angeordneten Kondensator 14 angedeutet. Mit dem Schwellenwertdiskriminator werden Veränderungen der Brückendiagonalspannung aufgrund akuter Schädigungen von Brennstoffzellen, wie Bruch des Elektrolyten, Ablösung der Elektroden, Auftrennen von elektrischen Anschlüssen, Kurzschlüssen usw., festgestellt, die z. B. zu sofortiger Fehlermeldung und einer schnellen Abschaltung oder Außerbetriebsetzung führen.

Bei besonders großen Brennstoffzellen-Batterien können Teile als Brückenschaltungen ausgebildet und von einer Auswertanordnung zeitmultiplex gemessen werden. Zumindest die Langzeitveränderungen bzw. Trends im Verhalten der Brückendiagonalspanung können zeitmultiplex erfaßt werden.

Im folgenden wird an dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel einer Brennstoffzellen-Batterie die Empfindlichkeit der Brückenmeßmethode überprüft. Dargestellt ist ein Brückenzweig mit vier parallelen Anordnungen aus jeweils acht Stacks 2, die schematisch dargestellt sind. Jeder Stack 2 soll aus 50 Zellen bestehen. Die Brennstoffzellen lassen sich jeweils als Serienschaltung einer idealen Spannungsquelle 16 mit einem idealen Inenwiderstand 17 darstellen. Diese Annahme stimmt mit guter Näherung.

Um den Einfluß der Spannung der Reihenschaltung eines Stacks auf die Brückendiagonalspannung zu bestimmen, wurde angenommen, daß sich die Leerlaufspannung der Reihenschaltung um die Leerlaufspannung einer Brennstoffzelle, nämlich um 0,7 V, ändert. Diese Annahme geht von einer minimalen Spannung aus, die in der Praxis nicht unterschritten wird. In der Praxis sind erst Spannungsänderungen von einigen Volt von Interesse bzw. kritisch.

Die Brückendiagonalspannung beträgt in diesem Fall 0,35 V, was bei einer annähernd abgeglichenen Brücke auf einfache Weise erfaßbar ist.

Weiterhin wurde der Einfluß des Innenwiderstands einer Reihenschaltung aus acht Stacks 2 bestimmt. Bei gleichen Leerlaufspannungungen der Brennstoffzellen wurde unter der Annahme, daß sich der Innenwiderstand des Brückenzweigs 15 um 1% erhöht, der Einfluß auf die Brückendiagonalspannung bestimmt. Die Brückendiagonalspannung ist hierbei 0,48 V, was ebenfalls mit der Brücke auf einfache Weise feststellbar ist.

Claims (4)

1. Anordnung zur Überwachung des Zustands von Brennstoffzellen einer Brennstoffzellen-Batterie, bei der die Brennstoffzellen (8) in wenigstens zwei parallel geschalteten Reihen mit jeweils gleicher Anzahl in den Reihen hintereinander geschaltet sind und bei der die Reihen in Zweige einer Brückenschaltung aufgeteilt und mit wenigstens einer Auswertanordnung (7) verbunden sind, die die zwischen den beiden Zweigen abgegriffene Spannung oder den Strom auswertet und bei Abweichungen über zulässige Grenzen hinaus eine Fehlermeldung erzeugt und/oder die Brennstoffzellen-Batterie abschaltet, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Größe der Spannung oder des Stroms der Brückendiagonalen als auch der zeitliche Verlauf der Spannung der Brückendiagonalen mit wenigstens einem vorgegebenen Wert verglichen werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteanordnung (7) zwei oder mehr Schwellenwertdiskriminatoren (11, 13) vorgesehen sind, die für deutlich unterschiedliche zeitliche Veränderungen der Messsignale der Brückendiagonalen bestimmt sind.

3. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von parallelen Reihen mit hintereinander geschalteten Brennstoffzellen in Brückenschaltungen zeitmultiplex mit der Auswerteanordnung verbunden sind.

4. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoffzellen Festelektrolyt-Brennstoffzellen vorgesehen sind.