Anpassung einer Brennstoffzellenvorrichtung

BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Montageplat- te, auf der eine Brennstoffzelleneinheit mit einer vordefinierten Anzahl an Brennstoffzellen angeordnet ist. Die Montageplatte und die Brennstoffzellen- einheit umfassen Medienanschlüsse zur Führung von Medien, insbesondere zur Führung eines Kühlmittels und/oder zur Führung von Reaktanten. Zudem umfassen die Montageplatte und die Brennstoffzelleneinheit elektrische Kon- taktpunkte zur elektrischen Anbindung der Brennstoffzelleneinheit an die Montageplatte. Brennstoffzellenvorrichtungen werden eingesetzt, um in einer elektrochemi- schen Reaktion elektrische Energie bereitzustellen, wobei Brennstoffzellen- vorrichtungen, insbesondere wenn sie in einem Kraftfahrzeug Verwendung finden, variierenden Leistungsanforderungen und Umgebungsparametern unterliegen.

Ein Brennstoffzellenmodul mit einer Mehrzahl an Brennstoffzellenstapeln ist beispielsweise aus der US 9,190,693 B2 bekannt. Hierbei ist eine Grundplat- te vorgesehen, auf der insgesamt drei verschiedene Brennstoffzellenstapel verteilt angeordnet sind. Zu Servicezwecken können einzelne der Brenn- stoffzellenstapel von der Grundplatte abgenommen werden, ohne dass dabei der Betrieb der übrigen Brennstoffzellenstapel unterbunden werden müsste. Es wird als nachteilig empfunden, dass aufgrund der verteilten Anordnung der Brennstoffzellenstapel an der Grundplatte nur eine sehr begrenzte An- zahl an Brennstoffzellenstapeln eingesetzt werden kann, da andernfalls das Brennstoffzellenmodul sehr viel Bauraum verbrauchen würde. Ein einmal konstruiertes Brennstoffzellensystem ist also nur innerhalb sehr engen Gren- zen erweiterbar.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzellen- vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass sie flexi- bel an die gewünschten Einsatzbedingungen angepasst werden kann. Zu dem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Überwa- chung und baulichen Anpassung einer Brennstoffzellenvorrichtung anzuge- ben, bei dem eine solche flexible Brennstoffzellenvorrichtung Einsatz findet.

Der die Brennstoffzellenvorrichtung betreffenden Teil der Aufgabe wird mit einer Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ge- löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Brennstoffzellenvorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass weitere Medienanschlüsse und weitere elektrische Kontaktpunkte der- art an der Brennstoffzelleneinheit ausgestaltet oder angeordnet sind, dass die Brennstoffzelleneinheit an eine zweite Brennstoffzelleneinheit fluidme- chanisch zur weiteren Führung der Medien und elektrisch zur Stromabnahme anbindbar oder angebunden ist. Damit wird also eine modular erweiterbare Brennstoffzellenvorrichtung bereitgestellt, die flexibel an die vom jeweiligen Nutzer vorgesehene Anwendung angepasst werden kann. Die Anpassung erfolgt dabei auf historisch oder empirisch ermittelten Daten zu Betriebspa- rametern der Brennstoffzellenvorrichtung.

Um ein besonders kompaktes, modulares System zu bilden, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn mindestens 2 der Brennstoffzelleneinheiten zu ei- nem Stapel zusammengefasst sind.

Eine besonders vorteilhafte Konstruktion der Brennstoffzellenvorrichtung er- laubt dann eine sehr einfache Erweiterung, wenn der Montageplatte ein Mon- tagegerüst mit Schubfächern zugeordnet ist, in welche die Brennstoffzellen- einheiten eingeschoben oder woraus sie entnommen werden können, und wenn das Montagegerüst mit Medienleitungen und mit elektrischen Leitun- gen derart ausgestaltet ist, dass die in den Schubfächern eingeschobenen Brennstoffzelleneinheiten mit der Montageplatte fluidmechanisch und elektrisch verbunden sind. Dabei ist es nicht zwingend notwendig, dass die einzelnen Brennstoffzelleneinheiten unmittelbar eineinander kontaktieren, da auch Schubfächern innerhalb des Montagegerüst zwischen zwei Brennstoff- zelleneinheiten frei bleiben können und dennoch eine fluiddichte Verbindung des Kühlmittels und der Reaktanten vorliegt. Zudem liegt eine sichere elekt- rische Kontaktierung zwischen den einzelnen Brennstoffzelleneinheiten vor, sodass diese vorzugsweise in einer Reihenschaltung miteinander verbunden sind.

Alternativ oder ergänzend besteht die Möglichkeit, dass eine Montageend- platte eingesetzt wird, welche mit der am weitesten von der Montageplatte entfernt angeordneten Brennstoffzelleneinheit in Kontakt steht, und dass die Montageendplatte mittels mindestens einem Zugelement mit der Montage- platte, insbesondere lösbar, verspannt ist. Zwischen der Montageplatte und der Montageendplatte kann eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten an- geordnet werden, sodass beispielsweise in Abhängigkeit des Bauraums in- nerhalb eines Kraftfahrzeuges, eine optimierte Auslegung der Brennstoffzel- lenvorrichtung mit stabilem Aufbau realisiert ist.

In diesem Zusammenhang hat es sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, wenn mindestens ein Sensor vorhanden ist, der ausgestaltet ist, eine Vor- spannkraft des mindestens einen Zugelements zu erfassen. In Abhängigkeit dieses Sensorsignals kann also gewährleistet werden, dass auch beim Ein- satz einer sehr großen Anzahl von Brennstoffzelleneinheiten der Stapel flu iddicht mittels des Zugelements verpresst ist und insbesondere die elektri schen Kontakte miteinander in Verbindung stehen.

Um unterschiedliche charakterisierende Größen, wie Leistungsanforderung, wie Betriebsdauer, wie Geschwindigkeit usw. aufzeichnen zu können, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn mit der Montageplatte ein einen Speicher aufweisendes Steuergerät kommunikationsverbunden ist, das aus- gestaltet ist, einen oder mehrere Betriebsparameter der Brennstoffzellenvor- richtung abzufragen und einen zeitlichen Verlauf des einen oder der mehre- ren Betriebsparameter aufzuzeichnen. Dieses Steuergerät kann dann im Servicefall ausgelesen werden und die Brennstoffzellenvorrichtung dann da- raufhin untersucht werden, ob die Brennstoffzellenvorrichtung optimal, d. h. an das Nutzerverhalten, angepasst ist.

Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen An- sprüchen angegeben.

Das Verfahren zur Überwachung und baulichen Anpassung einer Brennstoff- zellenvorrichtung ist durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:

Erfassen von einem oder von mehreren Betriebsparametern der Brennstoffzellenvorrichtung mittels eines Steuergeräts,

Aufzeichnen und Auswerten des zeitlichen Verlaufs des einen oder der mehreren Betriebsparameter,

Rrweitern der Brennstoffzellenvorrichtung um eine oder um mehrere Brennstoffzelleneinheiten, wenn die Auswertung ergibt, dass die Brennstoffzellenvorrichtung hinsichtlich ihrer abzugebenden Leistung zu gering ausgelegt ist, oder

Reduzieren der Brennstoffzellenvorrichtung um eine oder um mehrere Brennstoffzelleneinheiten, wenn die Auswertung ergibt, dass die Brennstoffzellenvorrichtung hinsichtlich ihrer abzugebenden Leistung zu groß ausgelegt ist.

Dieses Verfahren eröffnet also den Nutzern die Möglichkeit, dass die Brenn- stoffzellenvorrichtung an die tatsächlichen Einsatzgegebenheiten angepasst werden kann, aufgrund der vom Steuergerät aufgezeichneten Daten. Die Schätzung der neuen Brennstoffzellenanzahl, und damit der neuen Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten, kann dann über unterschiedliche Parameter, einzeln oder in Kombination erfolgen. Zu diesen Parametern können die Spannungslage des Stapels, die Vorspannkräfte des Stapels, die Konfigura- tion der Schubfächer für den Einschub der Brennstoffzelleneinheiten und hinsichtlich des Druckverlustes an Medien, beispielsweise Luft, der Brenn- stoffzellenvorrichtung erfolgen.

Wenn sich beim Auswerten des zeitlichen Verlaufs des einen oder der meh- reren Betriebsparameter ergibt, dass dieser innerhalb eines Toleranzinter- valls liegt, mithin also ein Toleranzintervall für zumindest einen der Betriebs- parameter der Brennstoffzelleneinrichtung vorgegeben ist, so wird für diesen einen Betriebsparameter ein Volumenstrom von einem oder von mehreren der durch die Montageplatte und die eine oder die mehreren Brennstoffzel- leneinheiten strömenden Medien angepasst unter Verzicht auf ein Erweitern und ein Reduzieren der Brennstoffzellenvorrichtung um eine oder mehrere der Brennstoffzelleneinheiten. Entsprechend verhält es sich mit denjenigen Komponenten, die nicht unmittelbar die Brennstoffzellen enthalten, wie bei spielsweise das Anodenrezirkulationsgebläse, der Befeuchter, der Ladeluft- kühler etc..

In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Vo- lumenstrom der Brennstoffzellenvorrichtung derart angepasst wird, dass die Brennstoffzellenvorrichtung hinsichtlich des zugehörigen Betriebsparameters einem Optimum entspricht, bei welchem die Brennstoffzellenvorrichtung eine vorgegebene Maximalleistung erzielt. Hierdurch lässt sich also eine Feinein- stellung für die Leistungsabgabe der Brennstoffzellenvorrichtung erreichen.

Der mindestens eine Betriebsparameter kann beispielsweise die Leistungs- anforderung der Brennstoffzellenvorrichtung sein. Diese wird in aller Regel niedriger liegen, wenn keine großen Lastspitzen vorliegen, beispielsweise weil der Nutzer des Brennstoffzellenfahrzeugs stets nur gering beschleunigt oder weil seine Fahrstrecke„geographisch günstig“ ist, da keine Berge oder Autobahnfahrten auf seinen Stammstrecken vorliegen. Alternativ oder ergän- zend kann der mindestens eine Betriebsparameter auch die Betriebsdauer der Brennstoffzellenvorrichtung sein. Alternativ oder ergänzend kann der Be- triebsparameter auch das Geschwindigkeitsprofil der Brennstoffzellenvorrich- tung betreffen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh- rungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine stark schematisierte Explosionsdarstellung einer modular erweiterbaren Brennstoffzellenvorrichtung mit einem exempla- risch aus drei der Brennstoffzelleneinheiten gebildeten Stapel und einer exemplarisch dargestellten Montageendplatte.

In Figur 1 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 in einer Explosionsansicht dargestellt, die eine Montageplatte 2 umfasst, auf der eine erste Brennstoff- zelleneinheit 3a mit einer vordefinierten Anzahl an Brennstoffzellen angeord- net ist. Die Brennstoffzelleneinheit 3a kann lediglich eine Brennstoffzelle oder aber auch eine Mehrzahl an Brennstoffzellen, zum Beispiel 10, 20 oder 100 Brennstoffzellen umfassen. Die Montageplatte 2 und die Brennstoffzellenein- heit 3a weisen Medienanschlüsse 4 zur Führung von Medien, vorliegend zur Führung von Reaktanten sowie elektrische Kontaktpunkte 5 zur elektrischen Anbindung der Brennstoffzelleneinheit 3a an die Montageplatte 2 auf.

Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Memb- ran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethyl- en-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine Flydrocarbon- Membran gebildet sein.

Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beige- mischt sein, wobei die Membran vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladi- um, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbe- schleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.

Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zuge- führt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM- Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielswei- se die Reaktion: 2H2— > 4H ⁺ + 4e ^_ (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elekt- ronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Ener- giespeicher geleitet.

Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (z.B. Sauer- stoff oder Sauerstoff enthaltene Luft) zugeführt werden, so dass kathoden- seitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H ⁺ + 4e ^_ — > 2H2O (Redukti- on/Elektronenaufnahme).

Das Besondere an der vorliegenden Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist, dass weitere Medienanschlüsse 4 und weitere elektrischen Kontaktpunkte 5 derart an der ersten Brennstoffzelleneinheit 3a ausgestaltet oder angeordnet sind, dass die Brennstoffzelleneinheit 3a an eine zweite Brennstoffzelleneinheit 3b fluidmechanisch zur weiteren Führung der Medien und elektrisch zur Strom- abnahme anbindbar oder angebunden ist. Damit ist die Brennstoffzellenvor- richtung 1 also als modulares System ausgeführt, dass flexibel an die tat- sächlichen Nutzungsgegebenheiten der Brennstoffzellenvorrichtung 1 ange- passt werden kann. Exemplarisch dargestellt ist deshalb vorliegend zusätz- lich eine dritte Brennstoffzelleneinheit, die wiederum mit Medienanschlüssen 4 und elektrischen Kontaktpunkte 5 an der zweiten Brennstoffzelleneinheit 3b fluidmechanisch zur weiteren Führung der Medien und elektrisch zur Strom- abnahme anbindbar oder angebunden ist. Die Anwendung weiterer Brenn- stoffzelleneinheiten 3a, 3b, 3c ist möglich, sodass eine Vielzahl von Brenn- stoffzelleneinheiten 3a, 3b, 3c bei der modulare Brennstoffzellenvorrichtung 1 vorliegen kann. Die Brennstoffzelleneinheiten 3a, 3b, 3c sind vorliegend zu einem Stapel 6 zusammengefasst, wobei beispielhaft zusätzlich eine Monta- geendplatte 7 gezeigt ist, welche mit der am weitesten von der Montageplat- te Platte 2 entfernt angeordneten Brennstoffzelleneinheit 3c in Kontakt steht, und welche den Stapel 6 mittels mindestens einem - nicht näher dargestell- ten - Zugelement mit der Montageplatte 2 verspannt. Als Zugelement kom- men Bänder, Stangen oder dergleichen infrage.

Um eine Vorspannkraft dieses Zugelements zu erfassen, kann ein Sensor vorhanden sein, der seine Signale an ein schematisch dargestelltes Steuer- gerät 8 übermittelt. Dieses Steuergerät 8 ist vorliegend mit der Montageplatte 2 kommunikationsverbunden und weist einen Speicher auf. Das Steuergerät 8 ist derart ausgestaltet, einen oder mehrere Betriebsparameter der Brenn- stoffzellenvorrichtung 1 abzufragen und einen zeitlichen Verlauf des einen oder der mehreren Betriebsparameter aufzuzeichnen.

Dabei lässt sich die Brennstoffzellenvorrichtung 1 um eine oder um mehrere Brennstoffzelleneinheiten 3a, 3b, 3c erweitern, wenn die Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Betriebsparameter ergibt, dass die Brennstoffzellen- vorrichtung 1 hinsichtlich ihrer abzugebenden Leistung zu gering ausgelegt ist. Im umgekehrten Falle, wenn die Auswertung ergibt, dass die Brennstoff- zellenvorrichtung 1 hinsichtlich ihrer abzugebenden Leistung zu groß ausge- legt ist, kann eine Reduzierung der Brennstoffzellenvorrichtung 1 um eine oder um mehrere Brennstoffzelleneinheiten 3a, 3b, 3c erfolgen.

Sollte sich ergeben, dass die Betriebsparameter innerhalb eines Toleranzin- tervall liegen, so wird für diesen einen Betriebsparameter ein Volumenstrom von einem oder von mehreren durch die Montageplatte 2 und die eine oder die mehreren Brennstoffzelleneinheiten 3a, 3b, 3c strömenden Medien an- gepasst unter Verzicht auf ein Erweitern und ein Reduzieren der Brennstoff- zellenvorrichtung 1 um eine oder um mehrere der Brennstoffzelleneinheiten 3a, 3b, 3c.

Als Betriebsparameter kommt beispielsweise die Leistungsanforderung, die Betriebsdauer oder das Geschwindigkeitsprofil der in einem Brennstoffzellen- fahrzeug genutzten Brennstoffzellenvorrichtung 1 in Betracht. Andere Be- triebsparameter sind möglich.

Eine nicht näher dargestellte besonders geeignete Erweiterungsmöglichkei- ten bietet die Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einem der Montageplatte 2 zugeordneten Montagegerüst. Dieses Montagegerüst weist hierbei eine Mehrzahl von Schubfächern auf, in welche die Brennstoffzellen- einheiten 3a, 3b, 3c eingeschoben oder woraus sie entnommen werden kön- nen. Zudem umfasst das Montagegerüst Medienleitungen und elektrische Leitungen derart, dass die in den Schubfächern eingeschobenen Brennstoff- zelleneinheiten 3a, 3b, 3c mit der Montageplatte 2 fluidmechanisch und elektrisch verbunden sind.

Die vorliegende Erfindung zeichnet sich durch eine modulare Erweiterungs- möglichkeiten für den Brennstoffzellenstapel, insbesondere der Brennstoff- zellenvorrichtung 1 mit ihrem Brennstoffzelleneinheiten 3a, 3b, 3c aus. Damit bietet die Brennstoffzellenvorrichtung 1 ein flexibel an das Nutzerverhalten angepasstes System modularer Bauweise. Zudem kann es bauraumarm und kostengünstig implementiert werden, da die Brennstoffzelleneinheiten 3a, 3b, 3c vorzugsweise identischen Aufbaus sind.

BEZUGSZEICHENLISTE:

1 Brennstoffzellenvorrichtung

2 Montageplatte

3a Brennstoffzelleneinheit

3b Brennstoffzelleneinheit

3c Brennstoffzelleneinheit

4 Medienanschluss

5 Kontaktpunkt

6 Stapel

7 Montageendplatte

8 Steuergerät