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.

Figure DE202021101046U1_0000
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.
Figure DE202021101046U1_0000

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 DE 10 2016 213 175 A1 bzw. US 2017/125830 A1 ist ein System bekannt, welches während des Startvorgangs eines brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs die Zellspannungen des Stacks misst und aufgrund des Spannungsverhältnisses eine Aussage über die Funktionstüchtigkeit einzelner Zellen erlaubt.Out DE 10 2016 213 175 A1 or. US 2017/125830 A1 a system is known which measures the cell voltages of the stack during the starting process of a fuel cell-operated vehicle and, based on the voltage ratio, allows a statement to be made about the functionality of individual cells.

Aus der US 9 791 516 B2 ist ein System bekannt, welches mit Hilfe einer elektrischen Ladung, welche von einer externen Quelle auf die Zellen des Brennstoffzellstapels aufgebracht wird, eine Diagnose durchführt. Die Diagnose umfasst dabei lediglich eine Aussage, ob ein normaler oder nicht normaler Zustand zwischen der Verbindung der Zellen und der CVM vorliegt. Weiter ist aus US 8 895 166 B2 ein System bekannt, welches ebenfalls eine elektrische Ladung auf die Zellen des Stacks aufbringt, welche hier mittels eines Spannungspulses aufgeprägt wird. Dieses Verfahren soll auch während des Startens oder des Betriebs des Brennstoffzellenstapels angewandt werden. Dabei wird der Spannungsgradient der von der Brennstoffzelle erzeugten Spannung unmittelbar nach dem Abschalten des Spannungspulses ausgewertet und anhand dessen auf den Zustand der Zellen geschlossen.From the US 9 791 516 B2 a system is known which carries out a diagnosis with the aid of an electrical charge which is applied to the cells of the fuel cell stack from an external source. The diagnosis only includes a statement as to whether there is a normal or abnormal condition between the connection of the cells and the CVM. Next is off US 8 895 166 B2 a system is known which also applies an electrical charge to the cells of the stack, which is applied here by means of a voltage pulse. This method is also intended to be used during the start-up or operation of the fuel cell stack. The voltage gradient of the voltage generated by the fuel cell is evaluated immediately after the voltage pulse has been switched off and the state of the cells is deduced from this.

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.

1 zeigt das vereinfachte elektrische Ersatzschaltbild einer einzelnen Zelle aus dem Brennstoffzellenstapel. Hier ist die Einzelzelle 1 als Kombination eines Kondensators 3 und zweier Widerstände 2, 2' dargestellt. Dabei ist der Kondensator einem ersten Widerstand 2 parallel geschalten und diese Kombination ist mit einem zweiten Widerstand 2' in Reihe geschalten. Die Kapazität des Kondensators 3 wird durch den Abstand zwei benachbarter Elektroden und damit von der Dicke der Elektrolyt-Membran bestimmt, die den Abstand der Platten angibt. Außerdem hängt die Kapazität natürlich von der Fläche der Platten ab. 1 shows the simplified electrical equivalent circuit diagram of a single cell from the fuel cell stack. Here is the single cell 1 as a combination of a capacitor 3 and two resistors 2 , 2 ' shown. The capacitor is a first resistor 2 connected in parallel and this combination is with a second resistor 2 ' connected in series. The capacitance of the capacitor 3 is determined by the distance between two adjacent electrodes and thus by the thickness of the electrolyte membrane, which indicates the distance between the plates. In addition, the capacity naturally depends on the area of the plates.

Eine wesentlich detailliertere Betrachtung führt zu einem komplexeren Ersatzschaltbild einer Einzelzelle 1, welches in 2 dargestellt ist. Hierbei werden die kapazitiven Eigenschaften der beiden Elektroden sowie die der Membran separat betrachtet, ebenso wie die Widerstände der beiden Elektroden sowie den Widerstand der Membran.A much more detailed examination leads to a more complex equivalent circuit diagram of a single cell 1 which is in 2 is shown. The capacitive properties of the two electrodes and those of the membrane are considered separately, as are the resistances of the two electrodes and the resistance of the membrane.

Das vereinfachte Ersatzschalbild einer Einzelzelle aus 1 kann jedoch als Grundlage für das Ersatzschaltbild eines Brennstoffzellenstapels 21 genommen werden. Daraus ergibt sich das in 3 dargestellte Schaltbild, mit dessen Hilfe ein kompletter Brennstoffzellenstapel 21 beschrieben werden kann. Die Einzelzellen 1 sind in Reihe geschaltet und können über Endplatten 22 kontaktiert werden, um eine Spannung an sämtliche Einzelzellen 1 anzulegen.The simplified equivalent circuit diagram of a single cell 1 can, however, be used as the basis for the equivalent circuit diagram of a fuel cell stack 21 be taken. This results in the in 3 The circuit diagram shown, with the help of which a complete fuel cell stack 21 can be described. The single cells 1 are connected in series and can be via end plates 22nd be contacted in order to apply a voltage to all individual cells 1 to put on.

Zur Überprüfung des Brennstoffzellenstapels 21 bzw. der Einzelzellen 1 wird unmittelbar am Ende der Produktionslinie und bevor der Brennstoffzellenstapel 21 mit dem Brennstoff - beispielsweise Wasserstoff - versorgt wird mit Hilfe einer externen Spannungsquelle 23 eine Spannung an den Endplatten 22 des Brennstoffzellenstapels 21 angelegt. Da sämtliche Zellen eines Brennstoffzellenstapels 21 in Reihe geschaltet sind, fließt durch alle Zellen der gleiche Strom.For checking the fuel cell stack 21 or the single cells 1 is immediately at the end of the production line and before the fuel cell stack 21 The fuel - for example hydrogen - is supplied with the help of an external voltage source 23 a tension on the end plates 22nd of the fuel cell stack 21 created. As all cells of a fuel cell stack 21 are connected in series, the same current flows through all cells.

Mit Hilfe des Zellenüberwachungssystems (cell voltage monitoring: CVM) bzw. des Zellmonitors 20, welcher eine Vielzahl an Spannungsmesseinrichtungen 4 beinhaltet, werden die Spannungen der Einzelzellen 1 erfasst und ausgewertet. Dabei können die Bipolarplatten als Kondensator betrachtet werden.With the help of the cell voltage monitoring system (CVM) or the cell monitor 20th , which has a variety of voltage measuring devices 4th contains the voltages of the individual cells 1 recorded and evaluated. The bipolar plates can be viewed as a capacitor.

Ein Kurzschluss zwischen zwei Bipolarplatten kann ebenso wie eine fehlerhafte Kontaktierung der Bipolarplatten mit dem Zellmonitorsystem 20 zuverlässig erkannt werden. Die vom Zellenmonitor 20 gemessenen Spannungen der Einzelzellen 1 werden mit einem Referenzwert verglichen. Ist der gemessene Spannungswert der Einzelzelle 1 größer als eine vorgegebene obere Grenze, so ist der Widerstand dieser Einzelzelle 1 zu groß und diese wird entsprechend als fehlerhaft gekennzeichnet.A short circuit between two bipolar plates can also occur, as can incorrect contact between the bipolar plates and the cell monitor system 20th can be reliably recognized. The one from the cell monitor 20th measured voltages of the individual cells 1 are compared with a reference value. Is the measured voltage value of the single cell 1 greater than a specified upper limit, the resistance of this single cell is 1 too big and this is accordingly marked as faulty.

Alternativ kann mit Hilfe des mit dem Zellenmonitor 20 gemessenen Spannungswertes und des gemessenen Stromwertes, welcher aufgrund der äußeren Spannung fließt, die Widerstände der Einzelzellen 1 berechnet werden. Die Widerstandswerte der Einzelzellen 1 werden mit einem Referenzwert verglichen. Sobald der Widerstand einer Einzelzellen 1 größer ist als eine vorbestimmte obere Grenze, wird diese Einzelzellen 1 als defekt oder beschädigt gekennzeichnet. Alternatively, you can use the with the cell monitor 20th measured voltage value and the measured current value, which flows due to the external voltage, the resistances of the individual cells 1 be calculated. The resistance values of the individual cells 1 are compared with a reference value. As soon as the resistance of a single cell 1 is greater than a predetermined upper limit, this becomes single cells 1 marked as defective or damaged.

Sobald für einen Brennstoffzellenstapel 21 eine vorbestimmte Anzahl an fehlerhaften Einzelzellen 1 überschritten wird, wird der Brennstoffzellenstapel 21 als defekt gekennzeichnet.Once for a fuel cell stack 21 a predetermined number of faulty individual cells 1 is exceeded, the fuel cell stack 21 marked as defective.

Zusätzlich zur Spannungsmessung bzw. zur Messung des Widerstands der Einzelzellen 1 kann auch die Kapazität der Einzelzellen 1 erfasst werden. Hierzu wird unmittelbar nach dem Anlegen einer externen Spannungsquelle 23 der zeitliche Verlauf der Spannungen an den Einzelzellen 1 gemessen. Dabei kann anhand des dynamischen Spannungsanstiegs bzw. der daraus resultierenden Zeitkonstanten die Kapazität der Einzelzellen 1 berechnet werden. Generell wird die Kapazität der Einzelzellen 1 von der Fläche, der Dielektrizitätskonstanten und der Dicke der Zelle bestimmt. Da die Fläche der Zellen im Wesentlichen gleich ist, können Abweichungen in den Materialeigenschaften, sowohl in den dielektrischen Eigenschaften als auch in der Dicke der Einzelzelle 1 erfasst werden. Die Kapazität wird ebenfalls mit einem Referenzwert verglichen. Sobald die Kapazität einer Einzelzelle 1 größer ist als eine vorbestimmte obere Grenze, wird diese als defekt oder beschädigt gekennzeichnet.In addition to measuring the voltage or measuring the resistance of the individual cells 1 can also increase the capacity of the individual cells 1 are recorded. This is done immediately after applying an external voltage source 23 the temporal course of the voltages on the individual cells 1 measured. The capacity of the individual cells can be determined on the basis of the dynamic voltage rise or the time constants resulting therefrom 1 be calculated. Generally the capacity of the single cells 1 determined by the area, the dielectric constant and the thickness of the cell. Since the area of the cells is essentially the same, there may be deviations in the material properties, both in the dielectric properties and in the thickness of the individual cell 1 are recorded. The capacity is also compared with a reference value. As soon as the capacity of a single cell 1 is greater than a predetermined upper limit, this is marked as defective or damaged.

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 1 kann zudem mit einem zweiten Referenzwert verglichen werden. Sobald die Kapazität einer Einzelzelle 1 kleiner ist als eine vorbestimmte untere Grenze, wird auch diese Einzelzellen als defekt oder beschädigt gekennzeichnet.The capacity of the single cells 1 can also be compared with a second reference value. As soon as the capacity of a single cell 1 is smaller than a predetermined lower limit, these individual cells are also marked as defective or damaged.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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  • US 2017125830 A1 [0004]US 2017125830 A1 [0004]
  • US 9791516 B2 [0005]US 9791516 B2 [0005]
  • US 8895166 B2 [0005]US 8895166 B2 [0005]

Claims (1)

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.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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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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