Verschiedene Lösungen für die Zellkontaktierung

Brennstoffzellen-Stack ist nicht gleich Brennstoffzellen-Stack. Diese Erfahrung machen wir immer wieder, wenn es darum geht, im Rahmen der Überwachung der Einzelzellspannungen eines Stacks eine Lösung für den Potenzialabgriff zu entwickeln. Der Potenzialabgriff an den Bipolarplatten eines Brennstoffzellen-Stacks stellt aus mehreren Gründen eine besondere Herausforderung dar.

Zum einen ist der Bauraum im Fahrzeugmotorraum begrenzt. Eine Zellkontaktierung mit einer Bauhöhe zwischen 35 und 250 Millimetern, wie herkömmliche Lösungen sie aufweisen, beansprucht viel zu viel wertvollen Platz. Zum anderen gilt es – gerade auch im Hinblick auf eine Serienfertigung – den Aufwand für die Montage der Zellkontaktierung am Brennstoffzellen-Stapel zu minimieren. Aktuell kommen für den Spannungsabgriff an Brennstoffzellen oft Federkontakte zum Einsatz, die nicht nur sehr hoch aufbauen, sondern auch von Hand justiert werden müssen. Angesichts von Zellabständen unter einem Millimeter in modernen Brennstoffzellen ist diese Justierung sehr aufwändig.

Bei Zelltaschen bieten sich Federkontakte an

Angesichts dieser Herausforderungen haben wir bei SMART TESTSOLUTIONS uns in den vergangenen Jahren immer wieder Gedanken über eine verbesserte Zellkontaktierung gemacht. Erstes bahnbrechendes Ergebnis dieser Überlegungen war 2016 unsere Zellkontaktierungseinheit (cell voltage pickup, CVP) mit Federkontakten, die einen zuverlässigen Spannungsabgriff sicherstellt, ohne dass bei der Montage aufwändig von Hand nachjustiert werden muss. Die gesamte Kontaktierungseinheit wird an den Endplatten und – falls vorhanden – an einer Mittelplatte des Brennstoffzellen-Stacks befestigt. Die Kontakte zentrieren sich weitgehend selbst in den Zelltaschen, was für kurze Montagezeiten sorgt. Gleichzeitig kommt die Kontaktierungseinheit mit nur fünf Millimetern Bauhöhe aus.

Löcher in der Bipolarplatte erfordern Stiftkontaktlösungen

Allerdings ist, wie oben schon festgestellt, Brennstoffzellen-Stack nicht gleich Brennstoffzellen-Stack. Während der eine Stack Zelltaschen aufweist, bei denen mit der oben beschriebenen Lösung gearbeitet werden kann, finden sich bei einem anderen Typ Löcher oder Bohrungen in der Bipolarplatte, so dass mit Stiftkontaktlösungen gearbeitet werden muss.

Wir von SMART TESTSOLUTIONS unterstützen zum einen Kunden mit einem fertigem Brennstoffzellen-Stack inklusive Zellkontaktierungseinheit bei der Suche nach einer besseren Lösung, zum anderen aber auch Kunden, die eine CVP für einen Stack benötigen, der sich noch in der Entwicklung befindet. In beiden Fällen besteht die Herausforderung für uns darin, die passende CVP-Technologie auszuwählen und unser technisches Funktionsprinzip an das Stack-Design des Kunden anzupassen. Im zweiten Fall beraten wir unsere Kunden außerdem im Hinblick auf das Design der Bipolarplatten ihres neuen Stacks, so dass am Ende ein optimal abgestimmtes Konzept zwischen Bipolarplatte und CVP vorliegt.

Robustheit im Betrieb und Kosteneffektivität sind weitere Herausforderungen

Dabei gilt es neben dem geringen Platzangebot im Motorraum und dem möglichst geringen Montageaufwand weitere Herausforderungen im Blick zu haben. So müssen die Kontaktierungseinheiten im Fahrzeugeinsatz robust gegenüber den auftretenden Schock- und Vibrationsbeanspruchungen sein. Auch dafür müssen wir geeignete Maßnahmen wie eine CVP-Fixierung technologisch an den jeweiligen Brennstoffzellen-Stack anpassen. Hier spielt auch die Wahl geeigneter Materialien eine Rolle.

Im Hinblick auf die Serienfertigung von Brennstoffzellenfahrzeugen mit integrierter Zellspannungsüberwachung gilt es in Zukunft außerdem eine Reihe weiterer Herausforderungen zu meistern:

• Kostensenkung: Aktuell sind die CVP-Einzelstücke noch sehr teuer in der Herstellung. Für die Ausrüstung von Serienfahrzeugen – und seien es auch nur Kleinserien – muss der Stückpreis sinken.
• Reduktion der Modularität: Aufgrund immer noch variabler Zellanzahlen in den Brennstoffzellen-Stacks muss aktuell noch mit einer hohen Modularität gearbeitet werden. Künftig gilt es, die Zahl der Zellen in einem Brennstoffzellenstapel zu vereinheitlichen. Gelingt dies, können die Modularität der CVP-Lösungen gesenkt und die gesenkt werden.
• Automatisierung der Montage: Die größte Herausforderung besteht darin, CVP-Konzepte derart zu entwickeln, dass der Montageaufwand am BZ-Stapel minimiert und gleichzeitig der Automatisierungsgrad der Montage maximiert wird. Hier gilt es, bei der CVP-Entwicklung entsprechende Anforderungen aus dem Produktions- und Automatisierungsbereich zu berücksichtigen.

Ziel ist die Integration von CVM und CVP in einer Komponente

Aufgrund der sehr unterschiedlichen Anforderungen an die Zellspannungsüberwachung (Cell Voltage Monitoring, CVM) und die Zellkontaktierung von Brennstoffzellen-Stacks arbeiten wir derzeit noch an getrennten Systemen. Unser großes Ziel ist es jedoch, beide Komponenten sukzessive zu einer Komponente verschmelzen zu lassen. Knackpunkt dabei ist zum einen die Verbindungstechnik, bei der wir die Anforderungen an die an die IP-Schutzklasse IP67 im Blick haben müssen. Im ersten Schritt planen wir eine Leitungsverbindung, die einseitig trennbar ist – nämlich auf der Seite des CVM-Systems. Im nächsten Schritt sind StarrFlex-Leiterplattenverbindungen angedacht. Sobald ICs für die Serien-CVM-Funktionalität Stand der Technik sind, erwarten wir eine noch höhere Integration: dann werden die CVM-Chips Platz mit auf der Kontaktierung sitzen.

Sie interessieren sich für unsere Entwicklungen im Bereich Zellkontaktierung? Gerne gebe ich Ihnen Auskunft, melden Sie sich einfach per E-Mail bei markus.schuster@smart-ts.de.