AT524019B1 - Membran für eine Brennstoffzelle - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membran (10) für eine Brennstoffzelle (100), aufweisend einen flächigen Grundkörper (20) mit einem umlaufenden Dichtabschnitt (30) zum abgedichteten Einspannen in einem Rahmen (110) der Brennstoffzelle (100) und wenigstens einem semipermeablen, für eine Ionensorte durchlässigen Membranabschnitt (24) für ein gasdichtes Trennen eines angrenzenden Kathodenabschnitts (120) der Brennstoffzelle (100) von einem gegenüberliegend angrenzenden Anodenabschnitt (130) der Brennstoffzelle (100), wobei der Grundkörper (20) wenigstens zwei Kraftsensoren (30) aufweist für eine Erfassung eines mechanischen Kraftparameters (KP) entlang wenigstens einer Erstreckungsrichtung (X, Y, Z) des Grundkörpers (20), wobei die Kraftsensoren (30) in unterschiedlichen Abschnitten des Grundkörpers (20) angeordnet sind, wobei wenigstens ein Kraftsensor (30) in einem Eingangsabschnitt (27) des Grundkörpers (20) angeordnet ist, welcher einem Gaseingang (102) der Brennstoffzelle (100) zugeordnet ist, und wenigstens ein Kraftsensor (30) an einem Ausgangsabschnitt (28) des Grundkörpers (20) angeordnet ist, welcher einem Gasausgang (104) der Brennstoffzelle (100) zugeordnet ist.

Description

Beschreibung

MEMBRAN FÜR EINE BRENNSTOFFZELLE

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membran für eine Brennstoffzelle, ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle, aufweisend eine solche Membran sowie ein Verfahren für die Bestimmung eines Feuchtigkeitswertes einer derartigen Membran.

[0002] Es ist bekannt, dass beim Betrieb von Brennstoffzellen die Feuchtigkeit im System eine entscheidende Bedeutung in der Kontrolle und Regelung der Brennstoffzelle einnimmt. So sind insbesondere zwei Extremsituationen zu vermeiden sowie eine Kontrolle der Feuchtigkeit zwischen diesen beiden Extremsituationen zu erzielen. Ist die Feuchtigkeit innerhalb der Brennstoffzelle zu gering, so führt dies zum Austrocknen der Membran, sodass die entsprechende Leistung des Systems deutlich zurückgeht und/oder der Verschleiß der Brennstoffzelle deutlich zunimmt. Wird im Gegensatz dazu, die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle zu hoch, so kann dies zum Auskondensieren der Flüssigkeit führen, sodass flüssiges Wasser in der Brennstoffzelle entsteht und die Gaskanäle teilweise oder vollständig blockiert. Auch bei einem solchen Fall wird die Leistung der Brennstoffzelle deutlich reduziert und die Funktionsfähigkeit zumindest temporär beeinträchtigt.

[0003] Um die Feuchtigkeit bei den bekannten Brennstoffzellen zu regeln, ist eine Information über den aktuellen Feuchtigkeitswert der Brennstoffzelle notwendig, also den Istzustand. Bei bekannten Lösungen wird dies zum Beispiel dadurch erzielt, dass die Messung von elektrischen Parametern der Brennstoffzelle erfolgt, und auf dieser Basis ein Rückschluss auf die aktuelle Feuchtigkeitssituation und entsprechende Feuchtigkeitswerte der Membran im Inneren der Brennstoffzelle gezogen werden kann. Auch ist es bekannt, dass im Bereich des Einlasses und im Bereich des Auslasses der Brennstoffzelle eine Uberwachung der Feuchtigkeit in quantitativer Weise erfolgt, sodass durch die Differenz im Massenstrom ein indirekter Rückschluss auf die Feuchtigkeitssituation und damit den Feuchtigkeitswert der Membran im Inneren der Brennstoffzellen getroffen werden kann.

[0004] Eine Membran und ein Verfahren zur Bestimmung einer Feuchtigkeit derselben ist beispielsweise aus der DE 102016120574 A1 bekannt.

[0005] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass diese entweder sehr ungenau arbeiten oder aber nur eine indirekte Aussage über den Feuchtigkeitswert liefern. Im Fall der Massenstromsensoren im Vorlauf und im Rücklauf des Brennstoffzellensystems sind darüber hinaus kostenintensive und aufwendig zu integrierende zusätzliche Sensoren notwendig.

[0006] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die Bestimmung eines Feuchtigkeitswertes der Membran in der Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen.

[0007] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Membran mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Membran beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

[0008] Erfindungsgemäß ist eine Membran für eine Brennstoffzelle vorgesehen, welche einen flächigen Grundkörper aufweist. Dieser flächige Grundkörper ist mit einem umlaufenden Dichtabschnitt ausgestattet zum abgedichteten Einspannen in einen Rahmen der Brennstoffzelle. Weiter weist der Grundkörper wenigstens einen semipermeablen, für eine lonensorte durchlässigen

Membranabschnitt auf für ein gasdichtes Trennen eines angrenzenden Kathodenabschnitts der Brennstoffzelle von einem gegenüberliegend angrenzenden Anodenabschnitt der Brennstoffzelle. Darüber hinaus weist der Grundkörper wenigstens zwei Kraftsensoren auf, für eine Erfassung eines mechanischen Kraftparameters entlang wenigstens einer Erstreckungsrichtung des Grundkörpers.

[0009] Ein Kraftparameter im Sinne der vorliegenden Erfindung ergibt sich bevorzugt beispielsweise direkt oder indirekt durch ein entsprechendes Sensorsignal des Kraftsensors. Insbesondere weist der Kraftparameter eine Kraft entlang wenigstes einer Kraftrichtung auf.

[0010] Eine erfindungsgemäße Membran dient dazu in einer Brennstoffzelle eingesetzt zu werden, um dort aus einem chemischen Energiepotential elektrische Energie zu erzeugen. Beispielsweise kann es sich bei der Brennstoffzelle um eine Wasserstoffbrennstoffzelle, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle handeln. Dabei wird Brennstoff, zum Beispiel in Form von Wasserstoff, auf der einen Seite der Membran und Sauerstoff auf der anderen Seite der Membran entlang geführt, sodass anschließend eine elektrisch unterstützte und kontrollierte chemische Reaktion stattfinden kann. Bei dieser kontrollierten chemischen Reaktion fließen lonen, insbesondere Protonen, über den semipermeablen Membranabschnitt des Grundkörpers, sodass ein Stromfluss erzeugt werden kann.

[0011] Basierend auf diesem grundlegenden Prinzip der erfindungsgemäßen Membran kann nun mittels einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung in direkter Weise ein Feuchtigkeitswert bestimmt werden. Diese direkte Bestimmung wird möglich, da auf der Membran selbst, also auf dem flächigen Grundkörper, wenigstens ein Kraftsensor angeordnet ist. Dabei kann der Kraftsensor auf der Oberfläche des Grundkörpers der Membran angeordnet sein. Jedoch ist es auch denkbar, dass ein solcher Kraftsensor zumindest teilweise in den Grundkörper integriert ist.

[0012] Hinsichtlich der Funktionsweise ist folgendes Phänomen zugrunde zu legen. Je nach Feuchtigkeitssituation der Membran dehnt sich diese aus oder zieht sich zusammen. Eine trockenere Membran führt zu einer zusammengezogenen geometrischen Erstreckung, während eine Feuchtigkeit beladene Membran eine größere Erstreckung aufweist. Ahnlich einer Expansion oder Kontraktion unter Temperaturschwankungen führt also auch die unterschiedliche Feuchtigkeitssituation zu einer Extraktion oder eine Kontraktion des Grundkörpers der Membran. Dies führt wiederum dazu, dass die Extraktion und die Kontraktion als geometrische Veränderung eine Aussagekraft über den aktuellen Feuchtigkeitswert der Membran beinhalten.

[0013] Bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird es nun möglich mithilfe des Kraftsensors diese geometrische Veränderung durch die Extraktion und die Kontraktion festzustellen und sogar quantitativ zu bestimmen. Hierfür ist der Kraftsensor in der Lage, eine geometrische Verformung und die damit einhergehende veränderte Kraftsituation im Grundkörper wahrzunehmen. Wird beispielsweise die Feuchtigkeit im Inneren der Brennstoffzelle zunehmen, so führt dies zu einer vergrößerten Beladung des Grundkörpers der Membran mit Wasser. Entsprechend der voranstehend beschriebenen Effekte führt dies wiederum zu einer Extraktion, also einem Ausdehnen des Grundkörpers. Aufgrund der Tatsache, dass der Grundkörper in einem Rahmen gasdicht eingespannt ist, kann sich die eingespannte Membran nicht beliebig ausdehnen, sodass die Extraktion durch die Einspannung im Rahmen als Widerlager gehalten wird. Es baut sich demnach im Inneren des Grundkörpers eine entsprechende Kraft auf, die vom Kraftsensor als ansteigender Kraftparameter wahrgenommen werden kann.

[0014] In gleicher Weise wird eine reduzierte Feuchtigkeit der Membran zu einer Kontraktion, also einem Zusammenziehen des Grundkörpers, führen und ebenfalls durch die feste Einspannung im Rahmen der Brennstoffzelle als Widerlager eine Veränderung des Kraftparameters mit sich bringen.

[0015] Dabei ist in einem ersten Schritt unerheblich in welcher Ausrichtung, also in welcher Erstreckungsrichtung, dieser wenigstens eine Kraftparameter bestimmt wird. Jedoch kann es, wie dies später noch erläutert wird, Vorteile mit sich bringen, wenn insbesondere entlang der Haupterstreckungsrichtung, also entlang der längsten Erstreckungsrichtung des Grundkörpers, die Er-

fassung des Kraftparameters erfolgt.

[0016] Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass der Kraftparameter selbstverständlich unterschiedliche Vorzeichen annehmen kann. So kann beispielsweise der Kraftsensor so ausgelegt sein, dass er bei idealer Feuchtigkeitssituation keine Kraft wahrnimmt, also dementsprechend der Grundkörper einen entspannten Zustand einnimmt. Bei einer Beladung von Feuchtigkeit führt dies zu einer Expansion, sodass entsprechend eine positive Kraft (Druckkraft) am Kraftsensor wahrgenommen werden kann. Bei einem Abtrocknen der Membran wird im Gegensatz dazu die Spannung erhöht und in entgegengesetzter Richtung ein negativer Wert (Zugkraft) für den Kraftparameter am Kraftsensor erkennbar.

[0017] Wie aus der voranstehenden Erläuterung ersichtlich wird, ist es nun möglich mithilfe eines Kraftparameters einen Rückschluss auf die Feuchtigkeitssituation und damit den Feuchtigkeitswert des Grundkörpers und damit der Membran zu ermöglichen. Dadurch, dass die Kraft und damit der entsprechende Kraftparameter direkt an der Membran erfasst werden kann, ist hier auch kein zugrunde zu legendes Modell notwendig, da vielmehr eine direkte Messung an dem Element erfolgt, zu welchem der gewünschte Feuchtigkeitswert ermittelt werden soll. Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass die Korrelation zwischen dem Kraftparameter und dem zu bestimmenden Feuchtigkeitswert sowohl qualitativ als auch quantitativ ausgebildet sein kann. Auch ist es denkbar, dass hier ausschließlich Unterschiede, also eine Variation des Kraftparameters, eine entsprechende Information der Feuchtigkeitsänderung mit sich bringen. Jedoch kann es bevorzugt sein, wenn eine absolute Aussage des Kraftparameters zu einer absoluten Aussage des Feuchtigkeitswertes führt und auf diese Weise die Grundlage für die Feuchtigkeitsregelung der Brennstoffzelle ausbilden kann.

[0018] Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung kann dabei sowohl auf einem Prüfstand einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellensystem mit solchen Brennstoffzellen, aber auch im tatsächlichen Anwendungsbetrieb einer Brennstoffzelle oder eines entsprechend ausgestatteten Brennstoffzellensystems im Einsatz sein.

[0019] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Membran einer der wenigstens zwei Kraftsensoren in einem inaktiven Nebenabschnitt des Grundkörpers angeordnet ist, wobei der Nebenabschnitt insbesondere direkt an den Membranabschnitt angrenzt. Ein solcher inaktiver Nebenabschnitt ist dabei insbesondre elektrolytisch inaktiv, sodass dort kein Ubergang von lonen in semipermeabler Weise erfolgen kann. Somit ist dieser Nebenabschnitt wirkungsfrei hinsichtlich der chemischen Reaktion zur Erzeugung elektrischer Leistung. Bevorzugt sind inaktive Nebenabschnitte symmetrisch an beiden Enden des Grundkörpers angeordnet, Sodass zum Beispiel bei der Anordnung von mehreren Kraftsensoren diese auch in unterschiedlichen inaktiven Nebenabschnitten angeordnet werden können. Die Anordnung des Kraftsensors in einem inaktiven Nebenabschnitt bringt darüber hinaus den Vorteil mit sich, dass der aktiv ausgestaltete Membranabschnitt nicht durch die Anordnung des Kraftsensors beeinträchtigt und damit die gesamte Ubertragungsfläche für die Übertragung von lonen beibehalten wird.

[0020] Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn der inaktive Nebenabschnitt elektrisch isolierend ausgebildet ist. Neben einer Inaktivität hinsichtlich der elektrolytischen Ausbildung ist eine elektrisch isolierende Ausbildung dazu ausgestaltet unerwünschte Kurzschlüsse in der Brennstoffzelle zu vermeiden. Somit kann zum Beispiel auf separate elektrische Isoliermittel verzichtet werden, da der entsprechend elektrisch isolierende Nebenabschnitt diese Isolationswirkung im gleichen Element mitbringt. Auch ist es auf diese Weise möglich, den Kraftsensor ohne elektrische Isolierung direkt auf diesem elektrisch isolierenden Nebenabschnitt anzuordnen. Die Kontaktierung in elektrischer und signalkommunizierender Weise für den Kraftsensor erfolgt dabei durch separate Anbindung, wie dies später noch, insbesondere bezogen auf drahtgebundene oder drahtlose Lösungen, erläutert wird.

[0021] Ebenfalls vorgesehen ist es, dass bei einer erfindungsgemäßen Membran der Grundkörper wenigstens zwei Kraftsensoren aufweist, welche in unterschiedlichen Abschnitten des Grundkörpers angeordnet sind. So ist es beispielsweise denkbar, dass zwei oder mehr Nebenabschnitte am Grundkörper ausgebildet sind, wobei in jedem der Nebenabschnitte ein entsprechen-

der eigener Kraftsensor angeordnet ist. Dieser erlaubt es, an unterschiedlichen Stellen des Grundkörpers Kraftparameter zu bestimmen und anschließend auf diese Weise mit höherer Genauigkeit einen Rückschluss auf die Feuchtigkeitswerte der Membran zu erzielen. Insbesondere auf Basis der unterschiedlichen Konzentrationsverhältnisse der Zufuhrgase und Abfuhrgase, führt dies zu einer noch genaueren Kontrolle der Feuchtigkeitssituation innerhalb der Membran.

[0022] Neben oder zusätzlich zu der Anordnung an unterschiedlichen Positionen ist auch eine unterschiedliche Ausrichtung der Kraftsensoren denkbar, sodass beispielsweise in unterschiedlichen Erstreckungsrichtungen, insbesondere zueinander orthogonal ausgerichtet, die Kraftparameter wahrgenommen werden können. So wird es möglich, zum Beispiel entlang einer Haupterstreckungsrichtung X eine dazu orthogonal ausgerichtete Nebenerstreckungsrichtung Y ebenfalls hinsichtlich der Kraftparameter zu überwachen. Auch dies erlaubt es, eine verbesserte und breitere Datenbasis für eine noch genauere Auswertung zur Verfügung zu stellen.

[0023] Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass die Kraftsensoren in einem Eingangsabschnitt des Grundkörpers angeordnet sind, welcher einem Gaseingang der Brennstoffzelle zugeordnet ist und wenigstens ein Kraftsensor an einem Ausgangsabschnitt des Grundkörpers angeordnet ist, welcher einem Gasausgang der Brennstoffzelle zugeordnet ist. Es wird also unterschieden zwischen einer Bestimmung des Feuchtigkeitswertes am Gaseingang und am Gasausgang der Brennstoffzelle. Dabei handelt es sich hinsichtlich der Konzentrationsunterschiede der entsprechend vorhandenen Gase um die beiden Extrempositionen mit Bezug auf die Membran, sodass auch mit Bezug auf diese beiden Extrempositionen die unterschiedlichen Feuchtigkeitswerte einen möglichst kompletten Uberblick über die Feuchtigkeitssituation der Membran erlauben. Hier wird nochmals gut ersichtlich, dass im Gegensatz zu den indirekten Messungen gemäß dem Stand der Technik nicht nur eine direkte Bestimmung des Feuchtigkeitswertes an der Membran möglich ist, sondern vielmehr sogar eine feinere Auflösung über unterschiedliche Abschnitte der Membran hinsichtlich des zu bestimmenden Feuchtigkeitswertes möglich wird.

[0024] Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Membran einer der wenigstens zwei Kraftsensoren auf einer Kathodenseite des Grundkörpers angeordnet ist. Der Kathodenabschnitt und der Anodenabschnitt sind hinsichtlich der entsprechenden Gasdurchsatzmengen in einer Brennstoffzelle unterschiedlich groß ausgebildet. Bei den meisten Brennstoffzellensystemen, insbesondere bei wasserstoffbasierten PEM-Brennstoffzellen, ist dabei der Gasdurchsatz im Kathodenabschnitt größer als im Anodenabschnitt, sodass entsprechend auf der Kathodenseite des Grundkörpers im Kathodenabschnitt ein größeres freies Volumen zur Verfügung steht. In diesem größeren Volumen ist es somit einfacher, einen entsprechenden Kraftsensor hinsichtlich seiner geometrischen Erstreckung anzuordnen, ohne, dass der darin notwendige Gasdurchsatz wesentlich beeinträchtigt wird.

[0025] Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Membran einer der wenigstens zwei Kraftsensoren Kontaktelemente aufweist für eine elektrische Versorgung des Kraftsensors und/oder eine signaltechnische Kontaktierung des Kraftsensors, wobei sich die Kontaktelemente insbesondere über den Dichtabschnitt erstrecken. Dabei handelt es sich bei den Kontaktelementen vorzugsweise um drahtgebundene Kontaktelemente, welche für die elektrische Versorgung und/oder die signaltechnische Kontaktierung, also die Übermittlung der erfassten Kraftparameter, dienen. Diese Kontaktelemente können sich bei der Verwendung von zwei oder mehr Kraftsensoren auch zwischen den Kraftsensoren innerhalb des Grundkörpers, insbesondere innerhalb des Dichtabschnitts erstrecken, sodass demnach eine kaskadierende Reihenkontaktierung der einzelnen Kraftsensoren möglich ist. Durch die drahtgebundene Ausgestaltung der Kontaktelemente können diese in dünner Ausgestaltung über den Dichtabschnitt geführt werden, sodass dementsprechend die Dichtwirkung durch die dünnen Querschnitte der drahtgebundenen Kontaktelemente beim abdichtenden Zusammenführen des Rahmens der Brennstoffzelle nicht beeinträchtigt wird. Eine entsprechende Reihenverbindung ist selbstverständlich auch außerhalb der Brennstoffzelle mit zugehörigen Kraftsensoren benachbarter Brennstoffzellen denkbar.

[0026] Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Membran einer der wenigstens zwei Kraftsensoren wenigstens eine drahtlose Kontaktschnittstelle aufweist

für eine elektrische Versorgung des Kraftsensors und/oder eine signaltechnische Kontaktierung des Kraftsensors. Selbstverständlich können solche drahtlos angebundenen Kraftsensoren mit drahtgebunden angebundenen Kraftsensoren gemäß dem voranstehenden Absatz in einer gemeinsamen Membran in kombinierter Weise eingesetzt werden. Beispielsweise ist es denkbar, über eine drahtlose Kommunikation die Kraftsensoren anzusprechen und auszulesen. Dabei ist insbesondere hinzuweisen auf die Möglichkeit einer drahtlosen Energieübertragung, wie es zum Beispiel bei der drahtlosen Ladetechnik bei Mobiltelefonen bekannt ist. Dies führt dazu, dass sowohl für die Kommunikation als auch für die Energieversorgung keine Rücksicht auf die Kontaktierung genommen werden muss, wenn der Dichtabschnitt des Grundkörpers ausgelegt wird.

[0027] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle, aufweisend eine erfindungsgemäße Membran. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Membran erläutert worden sind. Ein solches Brennstoffzellensystem kann aus einer einzelnen Brennstoffzelle bestehen, einen Stapel mehrerer Brennstoffzellen aufweisen oder auch sich aus mehreren solcher Stapel zu einem kompletten komplexen Brennstoffzellensystem zusammensetzen. Besonders bevorzugt weist ein Brennstoffzellensystem zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit mehr als 100 Brennstoffzellen, insbesondere etwa 300 Brennstoffzellen auf.

[0028] Vorteilhaft kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem zumindest zwei Brennstoffzellen, insbesondere alle Brennstoffzellen, eine erfindungsgemäße Membran aufweisen. Damit werden die erfindungsgemäßen Vorteile für jede einzelne Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems erzielbar, sodass eine besonders gute Kontrollmöglichkeit für die Feuchtigkeit der Membranen im Brennstoffzellensystem gewährleistet werden kann.

[0029] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für die Bestimmung eines Feuchtigkeitswertes einer Membran gemäß der vorliegenden Erfindung, aufweisend die folgenden Schritte:

[0030] - Erfassen wenigstens zwei Kraftparameter entlang wenigstens einer Erstreckungsrichtung des Grundkörpers,

[0031] - Vergleich der wenigstens zwei erfassten Kraftparameter mit einem Vergleichswert,

[0032] - Bestimmen des Feuchtigkeitswertes der Membran auf Basis der Differenz zwischen der erfassten Kraftparameter und dem Vergleichswert, wobei zwischen einer Bestimmung des Feuchtigkeitswertes an einem Gaseingang und an einem Gasausgang der Brennstoffzelle unterschieden wird.

[0033] Ein erfindungsgemäßes Verfahren bringt damit die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Membran und ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem erläutert worden sind. Hier wird nochmals deutlich, wie direkt am zu betrachtenden Grundkörper der Membran der Kraftparameter erfasst wird und über den Vergleichswert und auf Basis der Differenz zum Vergleichswert der Feuchtigkeitswert bestimmt wird. Dabei wird insbesondere gemäß der weiter oben stehenden Erläuterung eine Korrelation zu der Expansionscharakteristik beziehungsweise der Kontraktionscharakteristik als Funktion der Feuchtigkeitssituation der Membran Rücksicht genommen. Insbesondere wird ein funktionaler Zusammenhang mit dem Vergleichswert hergestellt und als Ergebnis der Feuchtigkeitswert erhalten. Jedoch ist grundsätzlich auch ein tabellarischer Zusammenhang im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.

[0034] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zusätzliche Sensorparameter der Brennstoffzelle erfasst werden und der Bestimmung des Feuchtigkeitswertes zugrunde gelegt werden. Solche zusätzlichen Sensorparameter sind beispielsweise elektrische Parameter der Brennstoffzelle. Auch andere zur Verfügung stehende Parameter, wie zum Beispiel die Massenströme einzelner Gase, sind hier grundsätzlich einsetzbar. Es ist also möglich mit zusätzlichen Parametern die Genauigkeit der Bestimmung zu verbessern und insbesondere einen Rückschluss auf mögliche Ursachen von reduzierter oder erhöhter Feuchte an der Membran zu erlauben. Dabei wird insbesondere auf Sensorparameter zurückgegriffen, welche

von zusätzlichen Sensoren stammen, welche für andere Kontrollmechanismen grundsätzlich schon an der Brennstoffzelle vorhanden sind.

[0035] Ebenfalls Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren bei der Bestimmung des Feuchtigkeitswertes ein Temperaturparameter, insbesondere bezüglich der Temperatur der Membran, berücksichtigt wird. Man kann dies als eine Temperaturkompensation bezeichnen. Ahnlich der Kontraktion und Extraktion unter der Feuchtigkeitsbeeinflussung werden auch unterschiedliche Temperaturen zu Kontraktion und Extraktion des Materials des Grundkörpers führen. Durch die Uberwachung der Temperatur in direkter Weise mithilfe eines Temperatursensors an dem Grundkörper beziehungsweise in der Brennstoffzelle oder aber durch Temperaturüberwachung an anderen Positionen der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellensystems wird es nun möglich, aus den bekannten erfassten Werten der Kraftparameter den Anteil der Temperaturkontraktion und der Temperaturextraktion herauszufiltern und bei der Bestimmung des Feuchtigkeitswertes zu vernachlässigen. Auch dies erlaubt es, die Genauigkeit eines erfindungsgemäßen Verfahrens noch weiter zu erhöhen.

[0036] Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren auf Basis einer wiederholten, insbesondere einer kontinuierlich wiederholten, Bestimmung des Feuchtigkeitswertes ein Belastungszyklus für die Membran bestimmt wird. Somit wird es möglich, über einen längeren Zeitraum den Verlauf des Feuchtigkeitswertes und damit den Verlauf des Kraftparameters zu überwachen. Einmalige Belastungen unterhalb der Maximalbelastungsgrenze führen nicht zu einer dauerhaften Schädigung der Membran. Jedoch können auch Belastungen unterhalb der maximalen Belastungsgrenze des Materials des Grundkörpers bei zyklischer Dauerbelastung Schädigungen des Materials mit sich bringen. Die Uberwachung mithilfe eines Belastungszyklus führt also dazu, dass bei einer solchen Dauerbelastung beziehungsweise Wechselbelastung in relativer Weise und/oder absoluter Weise ein Rückschluss auf die aktuelle Funktionsfähigkeit der Membran aus mechanischer Sicht gezogen werden kann.

[0037] Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich zum Feuchtigkeitswert eine Druckdifferenz zwischen dem an die Membran angrenzenden Kathodenabschnitt und dem auf der gegenüberliegenden Seite der Membran angrenzenden Anodenabschnitt aus dem Vergleichswert bestimmt wird. Durch die Uberwachung von Kraftparametern in den beschriebenen Erstreckungsrichtungen des Grundkörpers wird es auch möglich, eine Wölbung der Membran zu erkennen. Eine solche Wölbung entsteht dann, wenn auf dem Kathodenabschnitt und dem Anodenabschnitt unterschiedliche Innendrücke vorliegen, welche nur durch die flexibel ausgebildete Membran ausgeglichen werden können. Bei zu großem Druckunterschied besteht die Gefahr einer Beschädigung der Membran, sodass hier zusätzlich zur Betrachtung der Feuchtigkeitssituation auch eine Absicherung gegen zu hohe Druckunterschiede und entsprechende Beschädigungen der Membran mit einem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist.

[0038] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:

[0039] Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Membran,

[0040] Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Membran,

[0041] Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer Membran,

[0042] Fig. 4 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle,

[0043] Fig. 5 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

[0044] Fig. 6 ein möglicher Verlauf eines Kraftparameters,

[0045] Fig. 7 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens und

[0046] Fig. 8 ein weiterer möglicher Verlauf eines Kraftparameters.

[0047] Figur 1 zeigt schematisch eine Membran 10. Diese ist mit einem Grundkörper 20 ausge

stattet, welcher verschiedene Einzelabschnitte aufweist. Zentral ist als Membranabschnitt 24 eine semipermeable Ausgestaltung vorgesehen, welche in der Lage ist, spezifisch einzelne lonenarten hindurchzulassen. Im Falle einer PEM-Wasserstoffbrennstoffzelle ist dies der Durchlass von Protonen. Links und rechts direkt angrenzend zu diesem aktiven Membranabschnitt 24 befindet sich symmetrisch angeordnet auf beiden Seiten jeweils ein inaktiver Nebenabschnitt 26, welcher elektrolytisch inaktiv und elektrisch isolierend ausgebildet ist. Die Größe dieser symmetrisch angeordneten Nebenabschnitte 26 kann unterschiedlich ausgebildet sein. Wiederum umlaufend um den Membrananschnitt 24 sowie die Nebenabschnitte 26 ist der Dichtabschnitt 22 vorgesehen, welcher es erlaubt eine entsprechende Abdichtung zu einem in der Figur 1 nicht dargestellten Rahmen 110 der Brennstoffzelle 100 zu ermöglichen.

[0048] In der Figur 1 ist die Anordnung eines Kraftsensors 30 zu erkennen. Dieser befindet sich im rechten Nebenabschnitt 26, welcher hier als Eingangsabschnitt 27 gegenüber dem Ausgangsabschnitt 28 angeordnet ist. Der Kraftsensor 30 kann zum Beispiel als Dehnmesssensor ausgebildet sein. Bei der Darstellung gemäß der Figur 1 erfolgt eine Erfassung eines Kraftparameters KP entlang der Erstreckungsrichtung X, welche bei der Ausführungsform der Figur 1 auch die Haupterstreckungsrichtung dieser Membran ist. Dabei ist es grundsätzlich unerheblich, ob die einzelnen Erstreckungsrichtungen X, Y und Z orthogonal zueinander stehen oder nicht. Auch kann grundsätzlich jegliche Erstreckungsrichtung X, Y, Z verwendet werden, um mit dem Kraftsensor 30 die entsprechenden Kraftparameter KP zu erfassen.

[0049] Figur 2 zeigt eine Möglichkeit der Anordnung von zwei Kraftsensoren 30 in unterschiedlichen Nebenabschnitten 26. Diese sind gleich ausgerichtet, erfassen also den Kraftparameter KP in der gleichen Richtung, hier bevorzugt in der Erstreckungsrichtung X. Für eine elektrische Kontaktierung sowie für eine signaltechnische Kontaktierung sind hier drahtlose Kontaktschnittstellen 34 vorgesehen, welche entsprechend mit Kontaktgegenschnittstellen eines Kontrollsystems kommunizieren können und/oder entsprechend elektrische Energie aufnehmen können. Hier ist gut zu erkennen, dass die Kraftsensoren 30 für diese Kontaktierung keinerlei Schnittstelle über den Dichtabschnitt 22 hinaus benötigen. Auch ist gut zu erkennen, dass innerhalb des Grundkörpers 20 lokal im Eingangsabschnitt 27 und im Ausgangsabschnitt 28 unterschiedliche Kraftparameter KP erfasst werden können, sodass auch über unterschiedliche Bereiche des Grundkörpers 20 eine Bestimmung eines jeweils lokalen Feuchtigkeitswertes möglich wird.

[0050] In der Figur 3 ist eine Ausgestaltung der Membran ebenfalls mit zwei Kraftsensoren 30 dargestellt. Diese Variante zeigt zwei Kraftsensoren 30 in einem gemeinsamen Nebenabschnitt 26, hier dem Eingangsabschnitt 27. Bei diesen Kraftsensoren handelt es sich um eine drahtgebundene Anbindung, wobei diese über eine gemeinsame Verkabelung als Kontaktelemente 32 über den Dichtabschnitt 22 aus der Brennstoffzelle 100 hinausgeführt werden können.

[0051] Die Figur 4 zeigt eine Möglichkeit der Anordnung der Figuren 1 bis 3 in seitlicher Darstellung. Hier ist gut zu erkennen, wie der Grundkörper 20 abdichtend den Kathodenabschnitt 120 von dem Anodenabschnitt 130 in der Brennstoffzelle 100 trennt. Ein Rahmen 110 spannt den Dichtabschnitt 22 abdichtend ein, sodass entsprechende Gaszufuhr nur über die Gaseingänge 102 und Gasabfuhr nur über die Gasausgänge 104 möglich ist. Bei dieser Ausgestaltung ist der Kathodenabschnitt 120 für einen größeren Gasdurchsatz entsprechend mit größerem Strömungsvolumen ausgestattet als der Anodenabschnitt 130. Neben der abstrakten Darstellung in der Figur 4 ist hier insbesondere eine Ausgestaltung des Kathodenabschnitts 120 mit Kanälen möglich. Dementsprechend ist hier auf der Kathodenseite 21 des Grundkörpers 20 die Anordnung der beiden Kraftsensoren 30 erfolgt, da hier aus geometrischen Gesichtspunkten mehr Freiraum für die Anordnung dieser Kraftsensoren 30 ist.

[0052] Figur 5 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 200, welches hier sechs Brennstoffzellen 100 gemäß der Figur 4 aufweist. So ist es möglich, dass alle diese Brennstoffzellen 100 eine erfindungsgemäße Membran 10 aufweisen, um entsprechend eine detaillierte Kontrollmöglichkeit auf Basis einzelner Feuchtigkeitswerte FW für jede der Brennstoffzellen 100 zu erlauben.

[0053] Figur 6 zeigt schematisch wie durch ein erfindungsgemäßes Verfahren der Kraftparameter KP über den zeitlichen Verlauf erfasst werden kann. Beispielsweise kann eine statischer oder ein

veränderlicher Vergleichswert VW vorgegeben werden. Bei der Ausführungsform der Figur 6 handelt es sich um einen einzelnen, statischen Vergleichswert VW, wobei der Unterschied zwischen dem Kraftparameter KP und dem Vergleichswert VW quantitativ nachgewiesen wird. Auf Basis dieser quantitativen Analyse ist es nun möglich, einen entsprechend diesem quantitativen Unterschied zugeordneten Feuchtigkeitswert FW zu ermitteln und auszugeben.

[0054] Die Figur 7 zeigt schematisch diesen Ablauf, welcher über den Kraftsensor 30, den Kraftparameter KP erfasst und über den Vergleichswert VW einen Feuchtigkeitswert FW ermittelt und ausgibt. Der Figur 7 ist zusätzlich noch zu entnehmen, dass Nebeneinflüsse in Form von zusätzlichen Sensorparametern SP oder Temperaturparametern TP eine weitere Steigerung der Genauigkeit der Korrelation zwischen dem Kraftparameter KP und der Feuchtigkeitssituation in Form des Feuchtigkeitswertes FW ermöglicht. Darüber hinaus ist es hier noch möglich, zusätzlich zum Feuchtigkeitswert FW auch eine Druckdifferenz DP zwischen dem Kathodenabschnitt 120 und dem Anodenabschnitt 130 auszugeben.

[0055] Abschließend zeigt die Figur 8 nochmals einen Verlauf eines Kraftparameters KP über einen längeren Zeitraum. Hier ist gut zu erkennen, wie die Kraftsituation innerhalb des Grundkörpers 20 über einen längeren Zeitraum schwankt. Es entstehen also höhere mechanische Spannungssituationen und niedrigere mechanische Spannungssituationen, sodass eine pulsierende oder wechselnde mechanische Spannungssituation einen längerfristigen Belastungszyklus für die Membran 10 darstellt. Somit wird es möglich, auch dann, wenn die einzelnen Kraftspitzen des Kraftparameters KP unterhalb der maximalen Belastbarkeitsgrenze der Membran 10 liegen, eine mögliche Schädigung durch dauerhafte Wechselbelastung frühzeitig zu erkennen.

[0056] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Membran

20 Grundkörper

21 _Kathodenseite

22 Dichtabschnitt

24 Membranabschnitt 26 Nebenabschnitt

27 Eingangsabschnitt 28 Ausgangsabschnitt 30 Kraftsensor

32 Kontaktelement

34 Kontaktschnittstelle

100 Brennstoffzelle 102 Gaseingang

104 Gasausgang

110 Rahmen

120 Kathodenabschnitt 130 Anodenabschnitt

200 Brennstoffzellensystem

KP Kraftparameter

SP Sensorparameter

TP Temperaturparameter VW Vergleichswert

FW Feuchtigkeitswerte DP Druckdifferenz

X Erstreckungsrichtung Y Erstreckungsrichtung

Z Erstreckungsrichtung

Claims (14)

Patentansprüche

1. Membran (10) für eine Brennstoffzelle (100), aufweisend einen flächigen Grundkörper (20) mit einem umlaufenden Dichtabschnitt (30) zum abgedichteten Einspannen in einem Rahmen (110) der Brennstoffzelle (100) und wenigstens einem semipermeablen, für eine lonensorte durchlässigen Membranabschnitt (24) für ein gasdichtes Trennen eines angrenzenden Kathodenabschnitts (120) der Brennstoffzelle (100) von einem gegenüberliegend angrenzenden Anodenabschnitt (130) der Brennstoffzelle (100), wobei der Grundkörper (20) wenigstens zwei Kraftsensoren (30) aufweist für eine Erfassung eines mechanischen Kraftparameters (KP) entlang wenigstens einer Erstreckungsrichtung (X, Y, Z) des Grundkörpers (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftsensoren (30) in unterschiedlichen Abschnitten des Grundkörpers (20) angeordnet sind, wobei wenigstens ein Kraftsensor (30) in einem Eingangsabschnitt (27) des Grundkörpers (20) angeordnet ist, welcher einem Gaseingang (102) der Brennstoffzelle (100) zugeordnet ist, und wenigstens ein Kraftsensor (30) an einem Ausgangsabschnitt (28) des Grundkörpers (20) angeordnet ist, welcher einem Gasausgang (104) der Brennstoffzelle (100) zugeordnet ist.

2. Membran (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der wenigstens zwei Kraftsensoren (30) in einem inaktiven Nebenabschnitt (26) des Grundkörpers (20) angeordnet ist, wobei der Nebenabschnitt (26) insbesondere direkt an den Membranabschnitt (24) angrenzt.

3. Membran (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der inaktive Nebenabschnitt (26) elektrisch isolierend ausgebildet ist.

4. Membran (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Kraftsensoren (30) entlang unterschiedlicher Erstreckungsrichtungen (X, Y, Z) ausgerichtet sind.

5. Membran (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der wenigstens zwei Kraftsensoren (30) auf einer Kathodenseite (21) des Grundkörpers (20) angeordnet ist.

6. Membran (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der wenigstens zwei Kraftsensoren (30) Kontaktelemente (32) aufweist für eine elektrische Versorgung des Kraftsensors (30) und/oder eine signaltechnische Kontaktierung des Kraftsensors (30), wobei sich die Kontaktelemente (32) insbesondere über den Dichtabschnitt (22) erstrecken.

7. Membran (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der wenigstens zwei Kraftsensoren (30) wenigstens eine drahtlose Kontaktschnittstelle (34) aufweist für eine elektrische Versorgung des Kraftsensors (30) und/oder eine signaltechnische Kontaktierung des Kraftsensors (30).

8. Brennstoffzellensystem (200) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (100), aufweisend eine Membran (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 7.

9. Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Brennstoffzellen (100), insbesondere alle Brennstoffzellen (100), eine Membran (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 7 aufweisen.

10. Verfahren für die Bestimmung eines Feuchtigkeitswertes (FW) einer Membran (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 7, aufweisend die folgenden Schritte:

- Erfassen wenigstens zwei Kraftparameter (KP) entlang wenigstens einer Erstreckungsrichtung (X, Y, Z) des Grundkörpers (20),

- Vergleich der wenigstens zwei erfassten Kraftparameter (KP) mit einem Vergleichswert (VW),

- Bestimmen des Feuchtigkeitswertes (FW) der Membran (10) auf Basis der Differenz zwischen der erfassten Kraftparameter (KP) und dem Vergleichswert (VW), wobei zwi-

schen einer Bestimmung des Feuchtigkeitswertes (FW) an einem Gaseingang (102) und an einem Gasausgang (104) der Brennstoffzelle (100) unterschieden wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Sensorparameter (SP) der Brennstoffzelle (100) erfasst werden und der Bestimmung des Feuchtigkeitswertes (FW) zugrunde gelegt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Feuchtigkeitswertes (FW) ein Temperaturparameter (TP), insbesondere bezüglich der Temperatur der Membran (10), berücksichtigt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis einer wiederholten, insbesondere einer kontinuierlich wiederholten, Bestimmung des Feuchtigkeitswertes (FW) ein Belastungszyklus für die Membran (10) bestimmt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Feuchtigkeitswert (FW) eine Druckdifferenz (DP) zwischen dem an die Membran (10) angrenzenden Kathodenabschnitt (120) und dem auf der gegenüberliegenden Seite an die Membran (10) angrenzenden Anodenabschnitt (130) aus dem Vergleichswert (VW) bestimmt wird.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen