DE69123822T2

DE69123822T2 - Verfahren zur funktionsüberwachung von brennstoffzellen

Info

Publication number: DE69123822T2
Application number: DE69123822T
Authority: DE
Inventors: James Blair; Kenneth Dircks
Original assignee: Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Agriculture and Agri-Food Canada
Priority date: 1990-06-08
Filing date: 1991-06-07
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2011-06-08
Also published as: EP0486654A1; WO1991019328A1; JPH05502973A; EP0486654B1; US5170124A; DE69123822D1; ATE146904T1; AU7978591A; CA2018639A1; CA2064031C; AU641025B2; CA2064031A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen von Leistungsindikatoren, wie z. B. der Spannung, in Gruppen von Brennstoffzellen, die elektrisch in Serie geschaltet sind. Insbesondere befaßt sich die vorliegende Erfindung mit einem Verfahren zum Vergleichen derartiger Leistungsindikatoren in einem Stapel derartiger Zellen, die elektrisch in Serie geschaltet sind, zu dem Zweck, die Brennstoffzelle und die sie unterstützende Ausrüstung zu kontrollieren und das Arbeiten unter Betriebsbedingungen zu verhindern, die einen Schaden an dein Brennstoffzellenstapel verursachen oder eine Gefahr darstellen könnten.
Brennstoffzellen sind nützliche Quellen für reine Elektrizität. Ein Typ von üblicher Brennstoffzelle wird mit Wasserstoff und Sauerstoff oder Luft gespeist (die etwa 19 % Sauerstoff enthält), um direkt Elektrizität in Form eines Stroms zu erzeugen. Derartige Brennstoffzellen sind sauber, sehr effizient und bezüglich der Umgebungsbedingungen attraktiv.
Es ist nützlich, wenn man in der Lage ist, die Leistung von Wasserstoff/Sauerstoff- oder Wasserstoff/Luft-Zellen zu überwachen, um sicherzustellen, daß sie effizient arbeiten. Es ist auch wichtig, wenn man in der Lage ist, jede Verschlechterung der Leistung festzustellen, ehe die Brennstoffzelle zu einer Gefahr für Ausrüstungsinvestitionen und menschliche Lebewesen wird. Eine Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzelle entwickelt normalerweise Elektrizität mit einer Spannung von etwa 0,6 bis 1,0 V. Zur Erzeugung höherer Spannungen und mehr Energie ist es übliche Praxis, eine Reihe von Zellen elektrisch in Serie zu schalten, zu einem sogenannten Brennstoffzellenstapel. Da ein Stapel bis zu 50 oder mehr Zellen enthalten kann, ist es schwierig und unangemessen teuer, die Leistung jeder einzelnen Zelle in einem Stapel zu überwachen.
Es ist jedoch wichtig sicherzustellen, daß die von einem Stapel abgezogene Energie nicht irgendeine Einzelzelle in einen mißbräuchlichen oder gefährlichen Betriebsbereich zwingt. Es ist auch wichtig, in der Lage zu sein, das Versagen der Brennstoff/Oxidationsmittel-Trennung in einer einzigen Zelle zu detektieren. Es ist wünschenswert, die Zellenleistung als Teil einer Systemkontrollstrategie für die Einrichtungen zu überwachen, welche das Arbeiten der Brennstoffzelle unterstützen.
Besonders unter Umständen mit beträchtlich schwankender Last kann eine ausreichende Information nicht aus der Stapelgesamtspannung gewonnen werden, da die Änderung der Stapeispannung im Vergleich zur Spannung einer einzelnen Zelle groß sein kann. Es ist auch nicht praktisch, in einem Kontrollsystem eine Tabelle akzeptabler Stapelspannungen über einen Leistungs-Arbeitsbereich zu speichern, da diese Werte sich mit der Betriebstemperatur, dem Druck von Brennstoff und Oxidationsmittel, dem äußeren Luftdruck, der Temperatur und der Feuchtigkeit und dem Maß der Alterung des Stapels ändern.
Es ist daher wünschenswert, in der Lage zu sein, die Zellenspannungen mit einer ausreichenden Auflösung zu überwachen, um eine unangemessene Leistung in einer einzigen Zelle zu detektieren, und eine Bezugsspannung zu haben, welche den erwarteten Wert für die gegebenen Betriebsbedingungen und das Stapelalter widerspiegelt.
Obwohl verschiedene zum Stand der Technik gehörende Dokumente vorhanden sind, die sich mit der Überwachung der Leistung von Brennstoffzellen befassen, wurden die oben angegebenen erwünschten Ergebnisse derzeit noch nicht erreicht. Im einzelnen offenbart die JP-05 62-271 357 eine Zellenschadendetektoreinrichtung für einen Stapel von Zellen mit Redoxflub, bei der die Zellen, die den Stapel bilden, in eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe unterteilt sind und mit einer Spannungsvergleichsschaltung verbunden sind. Die Summe der Spannung aller Zellen einer Gruppe wird an einen Anschluß der Vergleichsschaltung angelegt, während die Summe einer Spannung aller Zellen der anderen Gruppe über eine Inverterschaltung an die Vergleichsschaltung angelegt wird. Wenn eine Zelle beschädigt ist, ergibt sich zwischen den Spannungen der ersten und der zweiten Gruppe eine Differenz.
Weiterhin offenbart die JP-05 61-91877 ein Brennstoffzellen- Energieerzeugungssystem und lehrt in diesem Zusammenhang das Konzept des Vergleichens gemessener Spannungswerte über jeder von zwei Gruppen von Zellen miteinander und mit einer vorgegebenen externen Referenzspannung. Im einzelnen liefert ein Referenzspannungs- bzw. Bezugsspannungsgenerator eine Referenzspannungsdifferenz, welche mit der Differenz zwischen den Spannungen der beiden Gruppen der Zellen eines Stapels verglichen wird.
Schließlich offenbart die JP-05 2-78159 eine Routen-Schalteinrichtung für eine Brennstoffzelle. In diesem Zusammenhang offenbart das zitierte Dokument die Erzeugung eines Zellenspannungs-Fehlersignals und eines Zellenprozeß-Fehlersignals und das anschließende Schließen und Öffnen der Schalter in Abhängigkeit von diesen Signalen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung anzugeben, um festzustellen, daß eine oder mehrere Zellen in einem mehrere Zellen umfassenden Stapel mit ihrer Leistung unter den gewünschten Niveaus liegen, ohne daß die Notwendigkeit bestünde, sämtliche Zellen zu überwachen.
Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung mit Hilfe der vier unten angegebenen Verfahren erreicht.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß sie eine Bezugsspannung liefert, welche unter den gegebenen Betriebsbedingungen des Stapels repräsentativ für eine akzeptable Zellenleistung ist.
Es ist ein weiterer Vorteil eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, daß sie, für den Fall, daß festgestellt wird, daß eine oder mehrere Zellen eines mehrere Zellen umfassenden Stapels auf einem Niveau arbeiten, welches unter den gegebenen Betriebsbedingungen erheblich unter der akzeptablen Bezugsspannung liegt oder unterhalb einer für das System vorgegebenen Mindestspannung unabhängig von den Arbeitsbedingungen einen Alarm liefert. Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß das Alarmsignal verwendet werden kann, um die Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels zu ändern oder um ein automatisches Abschalten des Brennstoffzellenstapels und seiner unterstützenden Einrichtungen zu bewirken.
Im einzelnen umfaßt die vorliegende Erfindung ein erstes Verfahren zum Überwachen der Leistung mehrerer elektrisch in Serie geschalteter Brennstoffzellen. Das erste Verfahren umfaßt:
das Unterteilen der Brennstoffzellen in mindestens drei Gruppen,
das Messen der Spannung über jeder Brennstoffzellengruppe,
das Vergleichen der normierten gemessenen Spannung jeder Brennstoffzellengruppe mit einer ersten Bezugsspannung, die gleich einer vorgegebenen Mindestspannung ist, und
das Vergleichen der normierten gemessenen Spannung einer der Brennstoffzellengruppen als einer zweiten Bezugsspannung mit der gemessenen normierten Spannung jeder der anderen Brennstoffzellengruppen.
Ein zweites Verfahren zum Überwachen der Funktion bzw. Leistung mehrerer elektrisch in Serie geschalteter Brennstoffzellen besteht aus einer Kombination des ersten und des vierten Verfahrens und umfaßt:
- die Brennstoffzellen werden in mindestens drei Gruppen unterteilt, welche eine erste, äußere Brennstoffzellengruppe, mindestens eine innere Brennstoffzellengruppe und eine zweite, äußere Brennstoffzellengruppe umfassen,
- die Spannung über jeder Brennstoffzellengruppe wird gemessen,
- die normierte gemessene Spannung jeder Brennstoffzellengruppe wird mit einer ersten Bezugsspannung verglichen, die gleich einer vorgegebenen minimalen Spannung ist,
- die normierte gemessene Spannung der ersten, äußeren Brennstoffzellengruppe wird als zweite Bezugsspannung mit der normierten gemessenen Spannung der benachbarten inneren Brennstoffzellengruppe gemessen,
- die normierten gemessenen Spannungen jeder inneren Brennstoffzellengruppe werden als zweite Bezugsspannung der Reihe nach mit der normierten gemessenen Spannung der nächsten benachbarten Brennstoffzellengruppe verglichen, und
- die normierte gemessene Spannung der zweiten, äußeren Brennstoffzellengruppe wird als zweite Bezugsspannung mit der normierten gemessenen Spannung der ersten, äußeren Brennstoffzellengruppe verglichen.
Das erste und das zweite Verfahren umfassen ferner vorzugsweise: das Aktivieren eines Alarms, wenn die normierte gemessene Spannung über einer Brennstoffzellengruppe kleiner ist als die erste Bezugsspannung oder wenn die normierte gemessene Spannung über einer Brennstoffzellengruppe von der zweiten Bezugsspannung um eine vorgegebene Spannungsdifferenz abweicht. Die bevorzugte, vorgegebene minimale Spannung beträgt etwa 0,5 V pro Zelle, und die vorgegebene Spannungsdifferenz beträgt zwischen etwa 20 mV pro Zelle und etwa 200 mV pro Zelle. Die am meisten bevorzugte Spannungsdifferenz beträgt etwa 100 mV pro Zelle.
Ein drittes Verfahren zur Überwachung der Leistung mehrerer elektrisch in Serie geschalteter Brennstoffzellen ist eine Kombination des ersten und des zweiten Verfahrens und umfaßt:
- die Brennstoffzellen werden in mindestens drei Gruppen unterteilt,
- die Spannung über jeder Brennstoffzellengruppe wird gemessen,
- die normierte gemessene Spannung jeder Brennstoffzellengruppe wird mit einer ersten Bezugsspannung verglichen, die gleich einer vorgegebenen minimalen Spannung ist,
- die normierte gemessene Spannung jeder Brennstoffzellengruppe wird mit einer zweiten Bezugsspannung verglichen, die gleich der normierten Gesamtspannung über den mehreren in Serie geschalteten Brennstoffzellen ist, und
- die normierte gemessene Spannung einer Brennstoffzellengruppe wird als dritte Bezugsspannung mit der normierten gemessenen Spannung jeder der anderen Brennstoffzellengruppen verglichen.
Ein viertes Verfahren zum Überwachen der Leistung mehrerer elektrisch in Serie geschalteter Brennstoffzellen ist eine Kombination des ersten, des zweiten und des dritten Verfahrens und umfaßt:
- das Aufteilen der Brennstoffzellen auf mindestens drei Gruppen, welche eine erste äußere Brennstoffzellengruppe, mindestens eine innere Brennstoffzellengruppe und eine zweite äußere Brennstoffzellengruppe umfassen,
- das Messen der Spannung über jeder der Brennstoffzellengruppen,
- das Vergleichen der normierten gemessenen Spannung jeder Brennstoffzellengruppe mit einer ersten Bezugsspannung, die gleich einer vorgegebenen minimalen Spannung ist,
- das Vergleichen der normierten gemessenen Spannung jeder Brennstoffzellengruppe mit einer zweiten Bezugsspannung, die gleich der normierten Gesamtspannung über den mehreren in Serie geschalteten Brennstoffzellen ist,
- das Vergleichen der normierten gemessenen Spannung der ersten äußeren Brennstoffzellengruppe als dritter Bezugsspannung mit der normierten gemessenen Spannung der angrenzenden inneren Brennstoffzellengruppe,
- das der Reihe nach erfolgende Vergleichen der normierten gemessenen Spannung jeder inneren Brennstoffzellengruppe als dritter Bezugsspannung mit der normierten gemessenen Spannung der am nächsten benachbarten Brennstoffzellengruppe, und
- das Vergleichen der normierten gemessenen Spannung der zweiten äußeren Brennstoffzellengruppe als dritter Bezugsspannung mit der normierten gemessenen Spannung der ersten äußeren Brennstoffzellengruppe.
Das dritte und das vierte Verfahren umfassen ferner vorzugsweise das Aktivieren eines Alarms, wenn die normierte gemessene Spannung über einer Brennstoffzellengruppe kleiner ist als die erste Bezugsspannung oder wenn die normierte gemessene Spannung über der Brennstoffzellengruppe von der zweiten Bezugsspannung oder von der dritten Bezugsspannung um eine vorgegebene Spannungsdifferenz abweicht. Die bevorzugte minimale Spannung beträgt etwa 0,5 V pro Zelle, und die bevorzugte vorgegebene Spannungsdifferenz beträgt zwischen etwa 20 mV pro Zelle und etwa 200 mV pro Zelle. Die am meisten bevorzugte vorgegebene Spannungsdifferenz beträgt etwa 100 mV pro Zelle.
Am meisten wird es bevorzugt, wenn das erste bis vierte Verfahren die entsprechenden Verfahrensschritte wiederholt ausführen und die Zufuhr von Brennstoff zu den Brennstoffzellen unterbrechen, wenn während einer vorgegebenen Zeitperiode eine kontinuierliche Aktivierung des Alarms festgestellt wird. Die bevorzugte Zeitperiode beträgt zwischen etwa 0,5 und etwa 2,0 s.
Was die vorliegende Erfindung anbelangt, so bezieht sich die Bezeichnung "normierte gemessene Spannung", so wie sie hier verwendet wird, auf die gemessene Spannung über einer Gruppe von Brennstoffzellen, die gemäß der Anzahl der Brennstoffzellen in der Gruppe normiert wird. In entsprechender Weise bezeichnet die Bezeichnung "normierte Gesamtspannung" die gemessene Spannung über der Gesamtzahl von Brennstoffzellen oder, alternativ, den Gesamtwert der gemessenen Spannungen über jeder Brennstoffzellengruppe, normiert entsprechend der Gesamtzahl der Brennstoffzellen. Wenn beispielsweise eine Gesamtzahl von 20 Brennstoffzellen in vier Gruppen unterteilt wird, die aus (a) drei, (b) vier, (c) sechs bzw. (d) sieben Zellen zusammengesetzt sind, und die gemessenen Spannungen über den Gruppen betragen: (a) 1,2 V, (b) 2,0 V, (c) 3,0 V und (d) 4,2 V, dann beträgt die normierte gemessene Spannung für die Gruppe (a) 0,4 V pro Zelle, für die Gruppe (b) 0,5 V pro Zelle, für die Gruppe (c) 0,5 V pro Zelle und für die Gruppe (d) 0,6 V pro Zelle. Die normierte Gesamtspannung beträgt bei dem obigen Ausführungsbeispiel 1,2 + 2,0 + 3,0 + 4,2 V geteilt durch 20 Zellen bzw. 0,52 V pro Zelle. Die Verwendung der normierten Spannungen gestattet den Vergleich der gemessenen Spannungen zwischen Gruppen, die aus einer ungleichen Zahl von Brennstoffzellen zusammengesetzt sind. In der Praxis kann der Vergleich der Leistungsindikatoren zwischen Gruppen auf der Basis "pro Zelle" oder auf der Basis "pro Gruppe" durchgeführt werden, wobei die Gruppen jeweils aus der gleichen Anzahl von Zellen bestehen.
Einzelheiten der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung in Kombination mit den beigefügten Zeichnungen deutlich werden. In den Zeichnungen sind spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die jedoch nicht als den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung in irgendeiner Weise beschränkend angesehen werden sollten. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung mehrerer Brennstoffzellen, die in Serie geschaltet und in vier Gruppen unterteilt sind;
Fig. 2 eine grafische Darstellung der Spannung über dem Strom für eine typische Brennstoffzelle, welche unter einer sich ändernden Last arbeitet;
Fig. 3 ein Blockdiagramm der (Schaltungs-)Komponenten, die den Zellenspannungskomparator bilden; und
Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm der Komponenten einer Brennstoff zellen-Energieanlage.
Es wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung von 20 Brennstoffzellen, die in einem Stapel in Serie geschaltet sind. Jede Brennstoffzelle erzeugt in Abhängigkeit von der Last typischerweise eine Spannung von etwa 0,6 bis etwa 1,0 V. Bei Serienschaltung beträgt die Summe der Spannungen, die von den Brennstoffzellen erzeugt werden, in Abhängigkeit von der Last und unter der Annahme, daß sämtliche Brennstoffzellen effizient arbeiten, etwa 12 bis etwa 16 V. Vom Fachmann sollte verstanden werden, daß durch Hinzufügen von mehr Brennstoffzellen zu dem Stapel in Serienschaltung höhere Spannungen erreicht werden können. Zum Zwecke der Erläuterung der Erfindung sind nur 20 Brennstoffzellen in einem Stapel dargestellt. In der Praxis können in einem Stapel 50 oder mehr Brennstoffzellen vorhanden sein.
Ein Problem bei der Verbindung eines Stapels von Brennstoffzellen in Serie besteht darin, daß es schwierig oder kompliziert ist, die Leistung bzw. Funktion jeder Brennstoffzelle zu überwachen. Wenn die Ausgangs-Gesamtleistung abfällt, wird natürlich ohne weiteres ein Abfallen der Leistung festgestellt. Es ist aber schwierig, isoliert herauszufinden, welche von ein oder mehreren Brennstoffzellen in dem Stapel unterhalb akzeptabler Leistungsstandards arbeiten und somit den Leistungsabfall bewirken oder dazu beitragen. Es ist daher wichtig, daß man in der Lage ist, die ein oder mehreren Brennstoffzellen zu isolieren und zu identifizieren, die unterhalb akzeptabler Standards arbeiten und dabei versagen, zu der elektrischen Energie des Brennstoffzellenstapels insgesamt ihren korrekten inkrementellen Beitrag zu liefern.
Es ist wünschenswert, daß keine Zelle in einem mehrere Zellen umfassenden Brennstoffzellenstapel bei einer Spannung unterhalb einer vorgegebenen minimalen Zellenspannung arbeitet. Diese Zellenspannung kann sich von einem Brennstoffzellensystem zum anderen ändern, wird jedoch im allgemeinen in dem Bereich von 0,5 bis 0,6 V pro Zelle liegen. Bei einem Minimum sollte dann ein Kontrollsystem sicherstellen, daß die Gesamtspannung des Zellenstapels nicht unter die minimale Zellenspannung multipliziert mit der Anzahl von Zellen in dem Stapel absinkt. Ein solches System kann jedoch nicht sicherstellen, daß keine einzige Zelle unterhalb der gewünschten minimalen Zellenspannung arbeitet. Das äußerste bzw. ultimate Kontrollsystem würde die Spannung jeder Zelle individuell überwachen; ein solches System wäre jedoch für die Realisierung zu teuer. Die Angabe der minimalen Zellenspannung ist beliebig und kann von einem Brennstoffzellensystem zum anderen verschieden sein. Die Bezeichnung einer Stapelbezugsspannung, welche eine akzeptable Leistung unter den speziellen Stapelarbeitsbedingungen zu einem gegebenen Zeitpunkt darstellt, ist weitaus schwieriger als wenn eine Anzahl von Bedingungen diesen Wert bestimmt. Die Erfinder haben zwei generelle Annäherungen an dieses Problem identifiziert.
Bei der ersten generellen bzw. allgemeinen Annäherung werden die Spannungen von Gruppen von Zellen miteinander unter den vorliegenden Betriebsbedingungen verglichen. Im einfachsten Fall, in welchem eine Zelle in einer Zellengruppe eine Leistung liefert, die erheblich unter derjenigen aller anderen Zellen liegt, würde festgestellt, daß die Spannung derjenigen Zellengruppe, welche diese Zelle enthält, geringer ist als die Spannung jeder anderen Zellengruppe, mit der sie verglichen wurde. Somit liefern die anderen Zellengruppen eine gültige Bezugsspannung für eine Zellengruppe, die unter den vorhandenen Bedingungen arbeitet. Nur in dem sehr unwahrscheinlichen Fall, daß alle Zellengruppen genau dieselbe Zahl von Zellen umfassen sollten, die genau auf demselben unakzeptablen Niveau arbeiten, würde eine solche Annäherung dabei versagen, eine unakzeptable Leistung zu detektieren.
Bei der zweiten Annäherung wird die Bezugsspannung als Gesamtstapelspannung geteilt durch die Anzahl von Zellengruppen genommen. Diese Bezugsspannung wird durch das Vorhandensein von ein oder mehreren Zellen in dem Stapel, die unter dem Standard liegen, geringfügig verkleinert; unter der Annahme, daß in einem Stapel eine relativ große Zahl von Zellen vorhanden ist im Vergleich zu der Anzahl von unter dem Standard liegenden Zellen wird die Bezugsspannung jedoch immer noch erkennbar höher sein als die Spannung einer Gruppe, welche eine Zelle enthält, die nicht akzeptabel arbeitet.
Bei jedem Lösungsansatz ist es erforderlich, zwischen der Spannung einer Zellengruppe und der Referenzspannung, welche einen Alarm auslöst, eine Spannungsdifferenz zu definieren. Für ein System, in welchem die Gruppen jeweils aus etwa fünf Zellen bestehen, wurde festgestellt, daß eine Spannungsdifferenz von 100 bis 1000 mV oder von 20 bis 200 mV auf der Basis einer Einzelzelle eine relevante Unterscheidung zwischen einer akzeptablen Schwankung von Zelle zu Zelle und einer Anzeige einer unter dem Standard liegenden Leistung einer einzigen Zelle liefert. Eine Spannungsdifferenz von etwa 500 mV oder etwa 100 mV auf der Basis einer Einzelzelle wurde für ein System, bei dem die Gruppen jeweils aus fünf Zellen bestehen, als am meisten zu bevorzugen ermittelt.
Im Betrieb sendet ein Kontrollsystem, welches auf dem Zellenspannungskomparator basiert, ein Alarmsignal, wenn irgendeine der folgenden Bedingungen auftritt:
1. Die Gesamtspannung des Stapels fällt unter die definierte minimale Zellenspannung, typischerweise 0,6 V, multipliziert mit der Anzahl von Zellen in dem Stapel;
2. die Spannung für irgendeine Gruppe von Zellen fällt unter die definierte minimale Zellenspannung multipliziert mit der Anzahl von Zellen in einer Zellengruppe; oder
3. die Größe der Differenz zwischen der Spannung einer Zellengruppe und der Bezugsspannung ist größer als ein definierter Wert, typischerweise etwa 100 bis 300 mV, am meisten bevorzugt etwa 200 mV.
Ein weiterer Grund für den Wunsch zum Identifizieren von Zellen mit einer unter dem Normalwert liegenden Leistung in einem Stapel von Brennstoffzellen ist der Wunsch nach dem Schutz gegen die Entwicklung einer möglicherweise gefährlichen Situation. Da die Brennstoffzellen in dem in Fig. 1 gezeigten Stapel typischerweise unter Verwendung gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff oder Luft als Brennstoffen arbeiten, kann sich in jeder Zelle ein möglicherweise gefährlicher Zustand entwickeln, in dem der Wasserstoff in der Lage ist, sich mit dem Sauerstoff zu mischen. Ein üblicher Grund, weshalb die Brennstoffzelle möglicherweise nicht mit einer akzeptablen Effizienz arbeitet, besteht darin, daß in der Elektrolytmembran, welche die Anodenseite von der Kathodenseite der Brennstoffzelle trennt, ein Leck vorhanden ist. Folglich ist der gasförmige Wasserstoff in der Lage, die Membran als Leckstrom zu durchdringen und sich mit dem Sauerstoff zu mischen, wodurch eine möglicherweise gefährliche Situation geschaffen wird, welche zu einem Feuer oder gar zu einer Explosion führen könnte.
Während ein wichtiger Aspekt der Verwendung des Zellenspannungskomparators darin besteht, das Brennstoffzellensystem für den Fall eines Ereignisses abzuschalten, welches das Mischen von Brennstoff und Oxidationsmittel gestattet (und welches die Gefahr von Feuer mit sich bringt), wird das System häufiger benutzt, um das Arbeiten des Systems auf Leistungsniveaus zu verhindern, welche die Einheit beschädigen könnten. Die Information von dem Zellenspannungskomparator wird auch dazu verwendet, den Betrieb von Hilfseinrichtungen zu steuern, wie z. B. von Luftkompressoren, um die Brennstoffzellenleistung zu optimieren.
Der Fachmann wird verstehen, daß der in Fig. 1 gezeigte Stapel von Brennstoffzellen von einem komplexen Brennstoffzellenunterstützungssystem unterstützt und betrieben wird, welches Oxidationsmittel (Luft oder Sauerstoff)-Einlässe und -Auslässe, Wasserstoffeinlässe und -auslässe, Kühlwassereinlässe und -auslässe, Magnetventile, Wasserablaßeinrichtungen, elektronische Hilfssysteme, wie z. B. eine Instrumentierung und Rechner, Luftkompressoren, Wasserstoffquellen und dergleichen umfaßt. Um die Darstellung der Erfindung einfach zu halten, ist in Fig. 1 nichts von dieser unterstützenden Hardware gezeigt. Eine schematische Blockdiagrammdarstellung einer Brennstoffzellen-Energieanlage mit Hilfssystemen ist in Fig. 4 gezeigt. Die Unterstützungs- bzw. Hilfssysteme und -ausrüstungen, die in Fig. 4 gezeigt sind, sind jedem Fachmann auf dem Gebiet der Brennstoffzellentechnologie gut bekannt, weshalb keine detaillierte Beschreibung des Hilfssystems geliefert werden wird. Derartige Systeme bilden keinen Teil der Erfindung. Die Stapel von Brennstoffzellen sind in dem Block "Energieerzeugung" angeordnet. Der Fluß von gasförmigem Brennstoff und Kühlluft ist eingezeichnet. Die Kühlwasserkontrolle wird durch einen Block mit dem Titel bzw. der Beschreibung "Wärme/Wasser-Management" bezeichnet. Wenn sich eine gefährliche Situation entwickelt, d. h. wenn sich Wasserstoff oder Oxidationsmittel in der Brennstoffzelle mischen (eine Bedingung, die durch eine Reduzierung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle identifiziert werden kann), dann ist es erforderlich, in der Lage zu sein, das Unterstützungssystem schnell abzuschalten (weiter unten erläutert), so daß die gefährliche Situation keinen möglicherweise gefährlichen Punkt erreicht, der zu einem Feuer oder einer Explosion führen kann.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren, mit deren Hilfe Zellenausgangsspannungen von Gruppen von Zellen in einem Brennstoffzellenstapel gemessen und verglichen werden können, und mit deren Hilfe beim Erfassen einer gefährlichen Situation, die sich in einem merklichen Spannungsabfall widerspiegelt, ein Ausgangssignal ausgegeben oder Prozeßsteuerschritte eingeleitet werden, um die Situation zu normalisieren. Das Alarmsignal ist geeignet, der Systemlogiksteuerung (nicht gezeigt) die Realisierung einer Abschaltsequenz zu befehlen oder der Abhilfe dienende Prozeßsteuermaßnahmen einzuleiten.
Verschiedene Gründe, weshalb es vorteilhaft kann, das Brennstoffunterstützungssystem abzuschalten oder die Prozeßsteuerparameter zu modifizieren, wenn ein Alarmsignal auftritt, sind wie folgt:
1. Zum Schutz von Menschen und Eigentum in der Nachbarschaft der Brennstoffzelle gegen das Risiko einer Explosion oder eines Feuers. Dies kann auftreten, wenn sich als Reagenzien verwendete Gase, Wasserstoff und Sauerstoff oder Luft, mischen können, wenn in dem membranförmigen Elektrolyten in der Brennstoffzelle ein Leck vorhanden ist;
2. Zum Schutz des Brennstoffzellenstapels gegen elektrische Überlastung; und
3. Zum Schutz der Last gegen Überlastung.
Ein auf der Hand liegendes Verfahren zum Messen der Leistung jeder Brennstoffzelle in einem Stapel von Brennstoffzellen bestünde darin, die Spannungsabgabe jeder einzelnen Brennstoffzelle zu messen. Dies wäre jedoch eine mit Problemen verbundene und teure Technik. Es würde eine überwältigende Datenmenge erzeugt, die teuer und zeitaufwendig zu verarbeiten wäre.
In der Wirklichkeit des wirtschaftlichen Lebens sind Brennstoffzellen in Stapeln in Serie geschaltet und liefern Energie an Verbraucher, die nicht unter statischen Bedingungen arbeiten. Der Energiebedarf hinsichtlich des Systems ändert sich ständig. In einer in der Praxis auftretenden Umgebung sind daher die Arbeitsbedingungen eines Stapels von elektrisch in Serie geschalteten Brennstoffzellen dynamisch und ändern sich ständig in Abhängigkeit von den Lastanforderungen an den Stapel. Jedes Leistungsüberwachungssystem muß daher in der Lage sein, eine Anzahl von Funktionen zu erfüllen:
1. Der praktisch realisierte Zellenspannungskomparator in einem solchen System muß in der Lage sein, von keiner Last (Leerlauf) bis Vollast für den Brennstoffzellenstapel seine Genauigkeit aufrechtzuerhalten.
2. Der Zellenspannungskomparator in einem solchen System muß eine Bezugsspannung haben, welche zeitlich der gemessenen Spannung folgt. Andernfalls ist die Messung ständig außer Tritt.
3. Der Zellenspannungskomparator in einem solchen System muß in der Lage sein, Differenzspannungsmessungen durchzuführen.
4. Das System muß in der Lage sein, in einer Umgebung mit hohen Gleichtaktspannungen befriedigend zu arbeiten. Das System muß mit anderen Worten galvanisch vom Eingang zum Bezugspotential des Kontrollsystems isoliert sein.
5. Das System muß in der Lage sein, Daten zu ignorieren, welche von Impulslasten empfangen werden (vorzugsweise weniger als 0,5 bis 2 s).
6. Das System muß für die Schleifenstabilität das Alarmsignal auf dem "Ein"-Zustand verriegeln. Andernfalls oszilliert das Alarmkontrollsystem.
Zur Erfüllung dieser Kriterien und gleichzeitig zum Reduzieren der Komplexität, zum Erhöhen der Effektivität, zum Reduzieren der Kosten und um zu ermöglichen, daß der Zellenspannungskomparator den Stapel von Brennstoffzellen wirksam überwacht, die elektrisch in Serie geschaltet sind, wurden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Spannungsausgangssignals von Gruppen von Zellen anstatt von Einzelzellen erfunden. Fig. 1 zeigt schematisch einen Stapel von 20 Brennstoffzellen, die elektrisch in Serie geschaltet sind. In Wirklichkeit würde der Stapel normalerweise 50 oder mehr Zellen umfassen. Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung ist jedoch zum Zwecke der Erläuterung ausreichend. Der Stapel von 20 Zellen wird in vier einzelne Gruppen von jeweils fünf Zellen unterteilt. Diese Gruppen sind als Gruppe 1, Gruppe 2, Gruppe 3 und Gruppe 4 bezeichnet. Jede einzelne Gruppe besitzt eine individuelle Spannungsmeßeinheit, die die Ausgangsspannung für diese spezielle Gruppe mißt. Die Spannungsmeßeinheit, die mit dem Bezugszeichen V&sub1; bezeichnet ist, mißt die Spannung, welche von den fünf in Serie geschalteten Brennstoffzellen 2, 4, 6, 8 und 10 erzeugt wird, die die Gruppe 1 bilden. In gleicher Weise mißt die Spannungsnießeinheit V&sub2; die Spannung, die von den fünf benachbarten in Serie geschalteten Brennstoffzellen 12, 14, 16, 18 und 20 erzeugt wird, die die Gruppe 2 bilden. Die Spannungsmeßeinheit V&sub3; mißt die Ausgangsspannung der fünf in Serie geschalteten Zellen 22, 24, 26, 28 und 30 in der Gruppe 3. Schließlich mißt die Spannungsmeßeinheit V&sub4; die Spannung, die von den fünf in Serie geschalteten Brennstoffzellen 32, 34, 36, 38 und 40 erzeugt wird, die die Gruppe 4 bilden.
Zum Herstellen eines effektiven bzw. wirksamen Zellenspannungskomparators und damit man in der Lage ist, die Leistung einer Gruppe von Zellen zu überwachen, muß die Spannung, die von einer Gruppe von fünf in Serie geschalteten Brennstoffzellen erzeugt wird, relativ zu einer Bezugsspannung verglichen werden. Ein solcher Vergleich kann mittels eines geeigneten Rechners zusammen mit in geeigneter Weise programmierter Software durchgeführt werden. Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm der Komponenten, die den Zellenspannungskomparator bilden. Die von der Anmelderin verwendete CPU-Hardware, d. h. die Schaltung der zentralen Prozessoreinheit, ist ein Chip des Typs 6802 der Firma Motorola. Die Software bzw. das Programm, die bzw. das benötigt wird, um den Zellenspannungskomparator zu betreiben, ist geradlinig (einfach) und kann von jedem Rechnerprogrammierfachmann entwickelt werden.
Der Zellenspannungskomparator muß in der Lage sein, zwischen der Addition der erwarteten zufälligen Schwankungen der Zellenleistung, die in einem Stapel auftritt, und einer nicht akzeptablen Änderung der Leistung einer einzigen Zelle zu unterscheiden. Dies kann durch die richtige Auswahl der Spannungsdifferenz zwischen einer Zellengruppe und der Referenzspannung erfolgen, bei der ein Alarm ausgelöst wird. Für eine Gruppe mit fünf Zellen hat sich eine Differenz zwischen 100 und 1000 mV (zwischen 20 und 200 mV auf der Basis einer Zelle), besonders bevorzugt von etwa 500 mV (etwa 100 mV auf der Basis einer Zelle), als geeignet für die Unterscheidung zwischen zufälligen Schwankungen und einer nicht akzeptablen Leistung erwiesen.
Gleichzeitig muß der Zellenspannungskomparator unempfindlich für Kurzzeitschwankungen der Leistung sein, sei es daß sie durch kurze, sich selbst korrigierende interne Störungen hervorgerufen werden oder durch externe elektrische Faktoren. Um eine im wesentlichen kontinuierliche Überwachung der Brennstoffzellenleistung aufrechtzuerhalten, werden Spannungsmessungen und -vergleiche mehrmals pro Sekunde, typischerweise zwischen einmal und zehnmal pro Sekunde, durchgeführt. Der Zellenspannungskomparator wird dadurch für augenblickliche Spitzen und andere Geräusche unempfindlich gemacht, daß gefordert wird, daß eine Alarmsituation für mehrere aufeinanderfolgende Messungen über einen Zeitraum von 0,5 bis 2,0 s detektiert wird, ehe ein Alarm ausgelöst wird bzw. ertönt.
Es gibt eine Anzahl von unterschiedlichen Arten, das in Fig. 1 gezeigte Zellenspannungskomparatorsystem zu betreiben. Diese Verfahren werden weiter unten erläutert.

Verfahren 1

Gemäß diesem Verfahren wird die mit V&sub1; bezeichnete-Spannung, die von der Brennstoffzellengruppe 1 erzeugt wird, als die Bezugsspannung verwendet. Dann werden nacheinander mit Hilfe eines Rechners und eines geeigneten Programms für elektronische Rechner und zugehörige elektronische Schaltungen und Unterstützungs- bzw. Hilfssysteme (siehe Fig. 3 und 4) die von der Gruppe 2 erzeugte Spannung V&sub2; mit der Spannung V&sub1; verglichen. Wenn sich die Spannung V&sub2; von der Bezugsspannung V&sub1; um mehr als die zulässige Spannungsdifferenz unterscheidet, dann wird von der Hardware (Schaltung) und dem Programm (Software) ein Alarm aktiviert, und es wird eine Hilfssystem- Prozeßänderung oder eine Abschaltprozedur eingeleitet. Anschließend wird in der Folge die Spannung V&sub3; der Zellengruppe 3 mit der Spannung V&sub1; verglichen und falls sich V&sub3; von der Bezugsspannung um mehr als um die zulässige Spannungsdifferenz unterscheidet, wird wieder ein Alarm aktiviert und eine Prozeßänderung oder eine Abschaltprozedur eingeleitet. Anschließend wird die Spannung V&sub4; mit der Spannung V&sub1; verglichen, und wenn sich V&sub4; von der Referenzspannung um mehr als die zulässige Spannungsdifferenz unterscheidet, werden die Prozeßänderung oder die Abschaltprozedur eingeleitet. Es wird ein kontinuierliches Zellenleistungsüberwachungssystem eingesetzt (durchgeführt).
Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß es sich auf eine einzige Gruppenspannung als Bezugsspannung stützt, im Falle des Ausführungsbeispiels auf (die Spannung) V&sub1;. Es ist jedoch möglich, daß die Zellengruppe, die für die Bezugsspannung gewählt wurde, eine Zelle mit Fehlfunktion enthält und somit nicht die wahre erwartete Spannung unter einem gegebenen Satz von Umgebungsbedingungen darstellt. Es soll beispielsweise die Situation betrachtet werden, in der der Brennstoffzellenstapel, der in Fig. 1 gezeigt- ist, zwei Zellengruppen enthält, die korrekt arbeiten, und eine Gruppe, welche nicht angemessen arbeitet, was durch eine niedrigere Spannung angezeigt wird, die sich von der Spannung der beiden "guten" Gruppen um geringfügig mehr als die vorgegebene Spannungsdifferenz unterscheidet. Sollte die ausgewählte Gruppe die Bezugsgruppe sein, welche eine geringfügig verschlechterte Leistung besitzt, wobei die Spannung in der Mitte zwischen den Spannungen der beiden befriedigenden Gruppen und der einen unbefriedigenden Gruppe liegt, würde das Verfahren 1 das hinderliche Versagen der unbefriedigenden Gruppe nicht detektieren.

Verfahren 2

Dieses Verfahren ist eine Modifikation des Verfahrens 1. Gemäß diesem Verfahren wird die Spannung V&sub1; als Referenzspannung für den ersten Spannungsvergleich in der Reihe verwendet. Die Spannung V&sub2; wird mit der Referenzspannung V&sub1; verglichen, um die "Gesundheit" der Gruppe 2 zu überwachen. Für die nächste Spannungsmessung der Brennstoffzellengruppe 3 wird jedoch die Spannung V&sub2; als Referenzspannung verwendet, und die Spannung V&sub3; der Gruppe 3 wird mit der Spannung V&sub2; verglichen. Anschließend wird in der Folge die Spannung V&sub3; als Referenzspannung verwendet, und die Spannung V&sub4; der Gruppe 4 wird mit der Spannung V&sub3; als Referenzspannung verglichen. Anschließend wird beim nächsten Überwachungszyklus die Spannung V&sub4; als Referenzspannung verwendet, und die Spannung V&sub1; wird mit V&sub4; verglichen.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß nicht eine einzige Brennstoffzellengruppe als alleinige Referenzspannung verwendet wird. Die Referenzspannung ändert sich der Reihe nach von einer Zellengruppe zur nächsten. Hypothetisch könnte jede der Referenzspannungen in der Serie in ihrem Pegel um denselben Betrag fallen. Die Wahrscheinlichkeit, daß dies eintritt, ist jedoch niedriger als für das oben beschriebene Verfahren 1, wo nur eine Zellengruppe als Bezugsspannung verwendet wird.
Andere Variationen des Verfahrens 2, bei denen die als Referenzspannung verwendete Gruppe der Reihe nach geändert wird, liegen für den Fachmann auf der Hand. Beispielsweise kann V&sub2; als erste Bezugsspannung verwendet werden, und V&sub2;, V&sub3; und V&sub4; können damit verglichen werden. Dann würde V&sub2; als Bezugsspannung verwendet und V&sub3;, V&sub4; und V&sub1; würden damit verglichen usw., bis wieder V&sub1; die Bezugsspannung wäre. Der Schlüssel des Verfahrens 2 ist die Änderung derjenigen Gruppe, die als Referenzgruppe ausgewählt wird, und zwar nicht in der Folge, in der die anderen Gruppen mit der Referenz verglichen werden.

Verfahren 3

Gemäß diesem Verfahren wird die Gesamtausgangsspannung des ganzen Stapels von Brennstoffzellen, nämlich die summierte Spannung der Gruppen 1, 2, 3 und 4, geteilt durch die Anzahl der Gruppen (in diesem Fall vier) als Referenzspannung benutzt. Nacheinander wird die Spannung V&sub1; mit der Gruppenreferenzspannung verglichen. Dann werden der Reihe nach die Spannung V&sub2;, die Spannung V&sub3; und die Spannung V&sub4; mit der Gruppenreferenz- bzw. Bezugsspannung verglichen.
Der Vorteil dieses Systems besteht darin, daß die Gruppenreferenzspannung, die durch Teilen der Gesamtausgangsspannung durch die Anzahl der Zellengruppen erhalten wird, höchstwahrscheinlich auf einem charakteristischen Referenzniveau liegt. Wenn sich die Leistung einer bestimmten Zellengruppe verschlechtert, wird dies die Referenzspannung nur marginal beeinflussen, da die Referenzspannung die Summe der Spannungen aller Gruppen geteilt durch die Anzahl der Gruppen ist. Dieses Verfahren behält seine Genauigkeit von einem unbelasteten Zustand bis zu einem Zustand mit voller Belastung.
Es wird auf Fig. 2 Bezug genommen, welche eine grafische Darstellung der Spannung über dem von einer einzigen Brennstoffzelle erzeugten Strom zeigt; man kann sehen, daß als allgemeine Regel die Spannung der Brennstoffzelle proportional zur Last fällt. Im Leerlaufbetrieb, d. h. wenn keine Last an der Brennstoffzelle anliegt, befindet sich die Spannung in dem Bereich von etwa 0,9 bis 1,0 V. Die Strompegel sind sehr niedrig. Bei erhöhten Belastungen fällt die Spannung proportional, so daß die Spannung bei höheren Strompegeln etwa 0,6 V beträgt. Bei einem sehr hohen Strom-(Last-)Niveau kann eine Überlastsituation erreicht werden. Diese Überlast sollte aus den unten erläuterten Gründen vermieden werden. Für eine korrekte Funktion bzw. Leistung der Erfindung ist es wichtig, daß der Zellenspannungskomparator die Brennstoffzellenleistung über den akzeptablen Lastbereich, der von Leerlauf bis Vollast reicht sowie bis in den Überlastbereich, wirksam überwacht, obwohl dieser Zustand zu vermeiden ist. Unter den meisten Betriebsbedingungen sind die Bedingungen nicht statisch, so daß die an die Brennstoffzellengruppe angelegte Last nicht gleichmäßig oder einheitlich ist. Somit können die Spannungs- und Strompegel erheblich schwanken. Dies führt zu Zeitdomänenproblemen und Problemen bei den elektronischen Abtastverfahren für die Zellengruppen. Die Erfinder sind der Ansicht, daß das oben beschriebene dritte Verfahren das beste der drei Verfahren darstellt, um sicherzustellen, daß die Referenzspannungen und die gemessenen Spannungen in einer dynamischen Umgebung miteinander Schritt halten.
Der Zellenspannungskomparator, der gemäß einem der oben beschriebenen Verfahren verwendet wird, kann jede der folgenden nachteiligen Bedingungen in einem Stapel von Brennstoffzellen entdecken, die elektrisch in Serie geschaltet sind:
1. Eine durchbrochene Membranelektrodenanordnung;
2. Eine Zellenpolaritätsumkehr (beispielsweise -1,4 V), die möglicherweise gefährlich sein kann, da sie auf der Wasserstoffseite der Zelle Sauerstoff erzeugen kann und da sie auf der Sauerstoffseite der Zelle Wasserstoff erzeugen kann;
3. Ein Ungleichgewicht der Zellenspannungsaufteilung;
4. Ein schlechtes Wassermanagement in den Flußfeldern der Brennstoffzellen;
5. Einen Verlust der Rezirkulation des Gasflusses in dem Brennstoffzellenstapel;
6. Ein Ungleichgewicht des Zellenreagenziengasflusses (schlechte Sammelleitungsausbildung);
7. Geringe Leistung der Membranelektrodenanordnung; und
8. Niedrige Reagenziendruck/Durchflußleistung (Anzeige: wenig Brennstoff).
Gemäß Fig. 3 überwacht der Analog/Digital-Wandler die Ausgangsspannung der Zellengruppen 1 bis 4. Die Spannungen V&sub1; bis V&sub4; werden in einen digitalen Code umgewandelt und in den eingangsseitigen Multiplexer eingegeben. Die Gruppenspannungen werden von der CPU gelesen, und ihre Werte werden in dem Speicher gespeichert. Sämtliche Grupenspannungen werden addiert und dann durch die Anzahl von Gruppen geteilt, um die Referenzspannung zu erhalten. Diese Spannung wird der Reihe nach mit jeder Gruppenspannung vetglichen. Wenn die Gruppenspannung um einen vorgegebenen Betrag niedriger ist als die Referenzspannung, gibt die CPU ein Signal aus, welches von dem Ausgangsmultiplexer verteilt wird, welcher die H&sub2;- und die O&sub2;-Magnetventile, die Lastkontakteinrichtung, den H&sub2;-Umwälzkompressor, den H&sub2;-Pumpenmotor und den Lüftermotor abschalten kann und welcher H&sub2;-Belüftung und ein N&sub2;-Spülmagnetventil öffnen und einen akustischen oder visuellen Alarm einschalten kann.
Wenn der Zellenspannungskomparator gemäß der Erfindung eine unter dem Standard liegende Brennstoffzellenleistung bei einer oder mehreren Zellen in dem Brennstoffzellenstapel nach einem der oben beschriebenen Verfahren feststellt, kann der Komparator geeignete korrigierende Änderungen der Prozeßsteuerungen einleiten oder im Bedarfsfall eine Abschaltfolge, wie folgt, einleiten:
1. Beendige den Fluß des Speise-Reaktionsgases zu den Zellen;
2. Öffne die Lastkontakteinrichtung;
3. Schalte alle Hilfsmotoren des Systems ab;
4. Belüfte automatisch sämtliche Reaktionsgasreservoirs;
5. Öffne das Zuführventil für das unter Druck stehende Inertgas, was dem Inertgas gestattet, durch sämtliche Brennstoffzellenleitungen zu fließen und dadurch die Brennstoffumwälzschleife zu spülen; und
6. Aktiviere einen hörbaren oder visuellen Alarm.
Während die vorstehend beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele des Verfahrens und der Vorrichtung zur Überwachung der Brennstoffzellenleistung einen Zellenspannungskomparator betreffen, versteht es sich, daß das Verfahren und die Vorrichtung angepaßt werden können, um andere Brennstoffzellenleistungsindikatoren zu überwachen, wie z. B. die Temperatur, den Druck, die Durchflußraten der Reagenzien und der Reaktionsprodukte in den Brennstoffzellen. In diesen Fällen würde die Temperatur der Brennstoffzellen unter Verwendung von Thermoelementpaaren oder anderen geeigneten Temperaturmeßeinrichtungen gemessen, der Druck würde unter Verwendung von Druckwandlern oder anderen geeigneten Druckmeßeinrichtungen gemessen und die Durchflußgeschwindigkeiten würden unter Verwendung von Durchflußmessern oder anderen geeigneten Meßeinrichtungen für eine Fluidströmung gemessen. Anstatt die gemessenen Spannungen mit einer Referenzspannung zu vergleichen wie in dem Brennstoffzellenkomparator, würden die Temperatur, der Druck, die Durchflußgeschwindigkeit oder ein anderer Leistungsindikator in den repräsentativen Brennstoffzellen mit einem Bezugswert, wie z. B. einem vorgegebenen Minimalwert, dem Mittelwert über sämtliche Brennstoffzellengruppen oder dem Wert in einer benachbarten Brennstoffzellengruppe verglichen, um außerhalb der Grenzen liegende Bedingungen zu detektieren.

Claims

1. Verfahren zur Funktions- bzw. Leistungsüberwachung von mehreren elektrisch in Serie geschalteten Brennstoffzellen, umfassend:

a. das Unterteilen der Brennstoffzellen in mindestens drei Gruppen,

b. das Messen der Spannung über jeder Brennstoffzellengruppe,

c. das Vergleichen der normierten gemessenen Spannung jeder Brennstoffzellengruppe mit einer ersten Bezugsspannung, welche gleich einer vorgegebenen minimalen Spannung ist, und

d. das Vergleichen der normierten gemessenen Spannung einer der Brennstoffzellengruppen als zweiter Bezugsspannung mit der normierten gemessenen Spannung jeder der anderen Brennstoffzellengruppen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner umfaßt:

e. das Aktivieren eines Alarms, wenn die normierte gemessene Spannung über einer Brennstoffzellengruppe kleiner ist als die erste Bezugsspannung oder wenn die normierte gemessene Spannung über einer Brennstoffzellengruppe von der zweiten Bezugsspannung um eine vorgegebene Spannungsdifferenz abweicht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die vorgegebene minimale Spannung etwa 0,5 V pro Zelle beträgt und bei dem die vorgegebene Spannungsdifferenz zwischen etwa 20 mV pro Zelle und etwa 200 mV pro Zelle liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die vorgegebene minimale Spannung etwa 0,5 V pro Zelle beträgt und bei dem die vorgegebene Spannungsdifferenz etwa 100 mV pro Zelle beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 2, welches ferner umfaßt:

f. das wiederholte Ausführen der Schritte (a) bis (e) und das Beenden der Zuführung von Brennstoff zu den Brennstoffzellen bei kontinuierlicher Aktivierung des Alarins für ein vorgegebenes Zeitintervall.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das vorgegebene Zeitintervall zwischen etwa 0,5 s und 2,0 s beträgt.

7. Verfahren zur Funktions- bzw. Leistungsüberwachung mehrerer elektrisch in Serie geschalteter Brennstoffzellen umfassend:

a. die Brennstoffzellen werden in mindestens drei Gruppen unterteilt, welche eine erste, äußere Brennstoffzellengruppe, mindestens eine innere Brennstoffzellengruppe und eine zweite, äußere Brennstoffzellengruppe umfassen,

b. die Spannung über jeder Brennstoffzellengruppe wird gemessen,

c. die normierte gemessene Spannung jeder Brennstoffzellengruppe wird mit einer ersten Bezugsspannung verglichen, die gleich einer vorgegebenen minimalen Spannung ist,

d. die normierte gemessene Spannung der ersten, äußeren Brennstoffzellengruppe wird als zweite Bezugsspannung mit der normierten gemessenen Spannung der benachbarten inneren Brennstoffzellengruppe gemessen,

e. die normierten gemessenen Spannungen jeder inneren Brennstoffzellengruppe werden als zweite Bezugsspannung der Reihe nach mit der normierten gemessenen Spannung der nächsten benachbarten Brennstoffzellengruppe verglichen, und

f. die normierte gemessene Spannung der zweiten, äußeren Brennstoffzellengruppe wird als zweite Bezugsspannung mit der normierten gemessenen Spannung der ersten, äußeren Brennstoffzellengruppe verglichen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, welches ferner umfaßt:

g. das Aktivieren eines Alarins, wenn die normierte gemessene Spannung über einer Brennstoffzellengruppe kleiner ist als die erste Bezugsspannung oder wenn die normierte gemessene Spannung über einer Brennstoffzellengruppe von der zweiten Bezugsspannung um eine vorgegebene Spannungsdifferenz abweicht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die vorgegebene minimale Spannung etwa 0,5 V pro Zelle beträgt und bei dem die vorgegebene Spannungsdifferenz zwischen etwa 20 mV pro Zelle und etwa 200 mV pro Zelle beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die vorgegebene minimale Spannung etwa 0,5 V pro Zelle beträgt und die vorgegebene Spannungsdifferenz etwa 100 mV pro Zelle.

11. Verfahren nach Anspruch 8, welches ferner umfaßt:

h. das wiederholte Durchführen der Schritte (a) bis (g) und das Beenden der Zuführung von Brennstoff zu den Brennstoffzellen bei kontinuierlicher Aktivierung des Alarms für ein vorgegebenes Zeitintervall.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das vorgegebene Zeitintervall zwischen etwa 0,5 s und etwa 2,0 s beträgt.

13. Verfahren zur Funktions- bzw. Leistungsüberwachung mehrerer elektrisch in Serie geschalteter Brennstoffzellen, umfassend:

a. die Brennstoffzellen werden in mindestens drei Gruppen unterteilt,

b. die Spannung über jeder Brennstoffzellengruppe wird gemessen,

d. die normierte gemessene Spannung jeder Brennstoffzellengruppe wird mit einer zweiten Bezugsspannung verglichen, die gleich der normierten Gesamtspannung über den mehreren in Serie geschalteten Brennstoffzellen ist, und

e. die normierte gemessene Spannung einer Brennstoffzellengruppe wird als dritte Bezugsspannung mit der normierten gemessenen Spannung jeder der anderen Brennstoffzellengruppen verglichen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, welches ferner umfaßt:

f. das Aktivieren eines Alarms, wenn die normierte gemessene Spannung über einer Brennstoffzellengruppe kleiner ist als die erste Bezugsspannung oder wenn die normierte gemessene Spannung über einer Brennstoffzellengruppe von der zweiten Bezugsspannung oder der dritten Bezugsspannung um eine vorgegebene Spannungsdifferenz abweicht.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die vorgegebene minimale Spannung etwa 0,5 V pro Zelle beträgt und die vorgegebene Spannungsdifferenz zwischen etwa 20 mV pro Zelle und etwa 200 mV pro Zelle liegt.

16. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die vorgegebene minimale Spannung etwa 0,5 V pro Zelle beträgt und die vorgegebene Spannungsdifferenz etwa 100 mV pro Zelle.

17. Verfahren nach Anspruch 14, welches ferner umfaßt:

g. das wiederholte Durchführen der Schritte (a) bis (f) und das Beenden der Brennstoffzufuhr zu den Brennstoffzellen bei kontinuierlicher Aktivierung des Alarms für ein vorgegebenes Zeitintervall.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das vorgegebene Zeitintervall zwischen etwa 0,5 s und etwa 2,0 s beträgt.

19. Verfahren zur Funktions- bzw. Leistungsüberwachung mehrerer elektrisch in Serie geschalteter Brennstoffzellen, umfassend:

a. das Aufteilen der Brennstoffzellen auf mindestens drei Gruppen, welche eine erste äußere Brennstoffzellengruppe, mindestens eine innere Brennstoffzellengruppe und eine zweite äußere Brennstoffzellengruppe umfassen,

b. das Messen der Spannung über jeder der Brennstoffzellengruppen,

c. das Vergleichen der normierten gemessenen Spannung jeder Brennstoffzellengruppe mit einer ersten Bezugsspannung, die gleich einer vorgegebenen minimalen Spannung ist,

d. das Vergleichen der normierten gemessenen Spannung jeder Brennstoffzellengruppe mit einer zweiten Bezugsspannung, die gleich der normierten Gesamtspannung über den mehreren in Serie geschalteten Brennstoffzellen ist,

e. das Vergleichen der normierten gemessenen Spannung der ersten äußeren Brennstoffzellengruppe als dritter Bezugsspannung mit der normierten gemessenen Spannung der angrenzenden inneren Brennstoffzellengruppe,

f. das der Reihe nach erfolgende Vergleichen der normierten gemessenen Spannung jeder inneren Brennstoffzellengruppe als dritter Bezugsspannung mit der normierten gemessenen Spannung der am nächsten benachbarten Brennstoffzellengruppe, und

g. das Vergleichen der normierten gemessenen Spannung der zweiten äußeren Brennstoffzellengruppe als dritter Bezugsspannung mit der normierten gemessenen Spannung der ersten äußeren Brennstoffzellengruppe.

20. Verfahren nach Anspruch 19, welches ferner umfaßt:

h. das Aktivieren eines Alarins, wenn die normierte gemessene Spannung über einer Brennstoffzellengruppe kleiner ist als die erste Bezugsspannung oder wenn die normierte gemessene Spannung über einer Brennstoffzellengruppe von der zweiten Bezugsspannung oder der dritten Bezugsspannung um eine vorgegebene Spannungsdifferenz abweicht.

21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die vorgegebene minimale Spannung etwa 0,5 V pro Zelle beträgt und bei dem die vorgegebene Spannungsdifferenz zwischen etwa 20 mV pro Zelle und etwa 200 mV pro Zelle beträgt.

22. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die vorgegebene minimale Spannung etwa 0,5 V pro Zelle beträgt und die vorgegebene Spannungsdifferenz etwa 100 mV pro Zelle.

23. Verfahren nach Anspruch 20, welches ferner umfaßt:

i. das wiederholte Durchführen der Schritte (a) bis (h) und das Beenden der Brennstoffzufuhr zu den Brennstoff zellen bei kontinuierlicher Aktivierung des Alarms für ein vorgegebenes Zeitintervall.

24. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem das vorgegebene Zeitintervall zwischen etwa 0,5 s und etwa 2,0 s beträgt.