Einzelzellspannungsüberwachung für Brennstoffzellenstacks

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1 Einzelzellspannungsüberwachung für Brennstoffzellenstacks enertec - Leipzig,

2 Gliederung Motivation Problemstellung Lösungsansätze Gewählte Lösung Funktionsmuster Zusammenfassung

3 Motivation Funktionsprinzip einer PEM-Brennstoffzelle Anode H 2 H + Luft / Wasser Katode e - e - Anode: 2 H 2 Katode: O 2 (g) + 4 H e - beiderseits: 4 H e - 2 H 2 O(l) Bipolarplatte Membran O 2 (g) + 2 H 2 2 H 2 O(l) H 2 Luft Katalysatorschicht Diffusionsschicht

4 Motivation Aussage über die korrekte Arbeitsweise jeder Zelle durch: Vergleich der Arbeitsweise der Zellen untereinander Erkennen von Spannungseinbrüchen Beurteilung des Feuchtehaushaltes Beurteilung von Fertigungsunterschieden Beurteilung von Alterungserscheinungen

5 Balkendiagramm zur Spannungslage einzelner Zellen 0,6 0,5 335 s 0,4 Spannung [V] 0,3 0,2 0, Zelle

6 Spannungs-Zeit und Strom-Zeit Diagramm eines PEM Brennstoffzellenstacks 0, ,6 120 Spannung [V 0,55 0, Strom [A 0, , Zeit [s] Zelle 1[V] Zelle 2[V] Zelle 3[V] Zelle 4[V] Zelle 5[V] Zelle 6[V] Zelle 7[V] Zelle 8[V] Zelle 9[V] Zelle 10[V] Zelle 11[V] Zelle 12[V] Strom [A] 0

7 Problemstellung Für eine effektive Einspeisung der erzeugten elektrischen Energie ist eine hohe Spannungslage des Stacks wünschenswert Hohe Spannung Kleinere Ströme Geringere Verluste Spannungslage einer Zelle U = 1,23 V the U = 0,98 V pr I=0 U = 0,45 V pr I=max Hohe Spannung Reihenschaltung vieler Zellen (bis 180 Zellen und mehr)

8 Problemstellung viele Messstellen hohe Kosten hoher Platzbedarf Anpassung des Messbereichs Eingangsspannungsbereich der Signal-Verarbeitungs-Elektronik maximal 40V

9 Lösungsansätze Prinzip Vorteil Nachteil Direkte Messung der Spannungen U M,Zelle(i) = U Zelle(i) Direktes Messergebnis Geringe Auflösung notwendig Differenzspannungsmessung mit höheren Aufwand Messung der Summenspannung U n= i n= i 1 M, Zelle(i) = UZelle(n) UZelle(n) n= 1 n= 1 geringer Aufwand Ergebnis erst nach Berechnung Grosse Auflösung notwendig

10 Lösungsansätze Art Umschaltung durch Relais Umschaltung durch Halbleiter Direkte Messung durch ADU Vorteil Problemlose galvanische Trennung Unbegrenzte Schaltspiele Jeder Wert in digitaler Form Sehr einfacher Aufbau Einfacher Aufbau Nachteil Begrenzte Schaltspiele Galvanische Trennung erforderlich Grosser Platzbedarf Teuer

11 Gewählte Lösung MUX digital Uout2 Uout3 + - Uin Uout1 Cells 2 from 16 MUX Amplifier analog CPU µp RS 232 Supply from 16 Keys Display

12 Gewählte Lösung MUX digital Uout2 Uout3 + - Uin Uout1 Cells 2 from 16 MUX Amplifier analog CPU µp RS 232 Supply from 16 Keys Display

13 Gewählte Lösung MUX digital Uout2 Uout3 + - Uin Uout1 Cells 2 from 16 MUX Amplifier analog CPU µp RS 232 Supply from 16 Keys Display

14 Funktionsmuster Technische Daten: Messstellenanzahl Spannungsbereich Auflösung Abtastrate Anzeige Schnittstelle Versorgungsspannung Ermittlung von Minima Gleitender Mittelwert -32-1,024 V - 10 bit - ca. 10 Hz@32 Zellen - 4x20 Zeichen - RS232-4 bis 26 VDC -3 x U min mit Zellen-Nr. -8 Werte

15 Vergleichbare SPS-Lösung (Siemens) für 10 Zellen

16 Demo- und Auswerte- Software zur Einzelzellspannungsüberwachung

17 Zusammenfassung und Weiterentwicklung Relativ einfache Lösung mit eigener Intelligenz Für autonomen Einsatz durch eigene Anzeige geeignet Für direkten Einsatz an der Brennstoffzelle geeignet Modularer Aufbau - erweiterbar bis 128 Zellen Prozessor Parallelverarbeitung Schnittstelle RS232 - andere in Entwicklung (z.b. CAN-BUS)

18 Preiswertes Feuchtemesssystem für PEM-Brennstoffzellen enertec, Leipzig

19 Gliederung Einleitung und Motivation Prinzip der Feuchtemessung Vergleich verschiedener Messsysteme Entwickeltes Messsystem Fehlerbetrachtung Zusammenfassung

20 Einleitung und Motivation anode H 2 H + air / water cathode e - e - anode: 2 H 2 cathode: O 2 (g) + 4 H e - overall: 4 H e - 2 H 2 O(l) bipolar plate membrane O 2 (g) + 2 H 2 2 H 2 O(l) H 2 air catalytic layer diffusion layer

21 Prinzip der Feuchtemessung Der Gesamtdruck setzt sich aus der Summe von Partialdruck und Dampfdruck zusammen. p = p G + p st Die relative Feuchte ϕ ist durch das Verhältnis von Dampfdruck p st and Sättigungsdruck p s karakterisiert ϕ = p st / p s Das Produkt aus relativer Feuchte und Sättigungsdruck bei bestimmter Temperatur ist unter Vernachlässigung der Druckänderung konstant. ϕ 1 p s (T 1 ) = ϕ 2 p s (T 2 )

22 Prinzip der Feuchtemessung Abhängigkeit des Sättigungsdruckes von der Temperatur 0,5 saturatio pressure [bar] 0,4 0,3 0,2 0, temperature [ C]

23 Vergleich verschiedener Messsysteme Hygrotest 650, Firma Testo Humidity sensor without heater Temperature sensor

24 Vergleich verschiedener Messsysteme HMP240, Firma Vaisala Humidity and temperature sensor with permanent heater Temperature sensor

25 Vergleich verschiedener Messsysteme Schema des entwickelten Feuchtemesssystems Power supply Relative humidity and temperature via RS232 µp interface Humidity and sensor temperature signal SHT 73 Temperature signal DS18B20 Gas humidity Gas temperature

26 Vergleich verschiedener Messsysteme Konfektionierter Sensor Humidity and temperature sensor with switchable heater Temperature sensor

27 Vergleich verschiedener Messsysteme Entwickeltes Messsystem Funtionsmuster

28 Tabelle ausgewählter Daten Hygrotest 650 HMP 240 Developed system Relative humidity range 0 to to to 100 [%] Accuracy humidity [%] +/- 2 +/- 0,5 +/- 2 Temperatur range [ C] -40 to to to +120 Accuracy temperature +/ / /- 0.4 [ C] Integrated heater no yes yes Cost [ ] 650 1, (only material)

29 Vergleich verschiedener Messsysteme HMP240 Feuchtemesser der Firma und eigenes System Vaisalla Sensirion Vaisalla Sensirion relative humidity [%] relative humidity [%] time [s] time [s] at process temperature of 25 C at process temperature of 35 C

30 Fehlerbetrachtung Abhängigkeit der relativen Feuchte von der Temperatur und deren Änderung 10 deviation of the relative humidify [% C 50 C 60 C 70 C 80 C deviation of the temperature [%]

31 Zusammenfassung Für die Messungen des Feuchtehaushalts einer PEM-Brennstoffzellen können nur Feuchtesensoren mit einer integrierten Heizung eingesetzt werden, da die Messung bei hohen relativen Feuchten erfolgt und somit die Gefahr der Betauung gegeben ist. Die Vergleichsmessungen zwischen dem entwickelten System ung dem gewählten Refenzsystem zeigen eine gute Übereinstimmung. Sowohl der Feuchtesensor als auch der zusätzliche Temperatursensor haben integrierte Analog/Digital-Wandler, so dass ihr Ausgangssignal in digitaler Form zur Verfügung steht. Dadurch ist eine direkte Ankopplung an die Systemsteuerung über Busleitungen möglich.