DE102015221594A1

DE102015221594A1 - Verfahren zur Fertigung eines Brennstoffzellenstapels sowie für das Verfahren geeignete Bipolarplatte

Info

Publication number: DE102015221594A1
Application number: DE102015221594.6A
Authority: DE
Inventors: Nils Brandau; Christian Wachtel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-11-04
Filing date: 2015-11-04
Publication date: 2017-05-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung eines Brennstoffzellenstapels (10), mit den Schritten: – Fertigen des Brennstoffzellenstapels (10) durch abwechselndes Zusammensetzen einer Mehrzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen (14) und einer Mehrzahl von Bipolarplatten (15), wobei mindestens eine der Bipolarplatten (15) und/oder mindestens eine der Membran-Elektroden-Anordnungen (14) einen integrierten Transponder (160) aufweist, der zumindest eine gespeicherte Bauteilinformation aufweist, – Betreiben des Brennstoffzellenstapels (10) und Erfassen eines Messwerts mindestens eines Betriebsparameters des Brennstoffzellenstapels (10); – Erfassen zumindest einer der Bauteilinformationen durch einen mit dem Transponder (160) kommunizierenden Leser (170) und – Speichern des erfassten Messwerts und/oder einer mit diesem korrelierenden Größe und der erfassten Bauteilinformation in einander zugeordneter Form. Eine zur Verwendung in einem Verfahren geeignete Bipolarplatte (15) zeichnet sich durch einen integrierten Transponder (160) aus.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Fertigung eines Brennstoffzellenstapels, insbesondere zur Qualitäts- beziehungsweise Funktionskontrolle und/oder Konditionierung des Brennstoffzellenstapels innerhalb der Fertigung. Die Erfindung betrifft ferner eine für das Verfahren geeignete Bipolarplatte.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Elektroden mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu Protonen H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → H⁺ + 2e^–). Über die Membran (beziehungsweise den Elektrolyten), welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2– + 2H⁺ → H₂O).
In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter und elektrisch in Reihe geschalteter Brennstoffzellen (im Folgenden auch Einzelzellen genannt) gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Für Fahrzeuganwendungen werden beispielsweise 200 bis 400 Einzelzellen in einem Stapel verbaut. Aufgrund der Reihenschaltung sind der Strom jeder Einzelzelle und der Stapelstrom identisch, wobei die Stapelspannung der Summe der im Idealfall untereinander identischen Einzelzellspannungen entspricht. Tatsächlich kommt es jedoch wegen betriebs- und bauteilbedingt inhomogener Gasverteilung sowie auch wegen dynamischer Betriebsweise als auch aufgrund von Aufwärm- oder Abkühlprozessen zu mehr oder weniger deutlichen Abweichungen der Einzelzellspannung gegenüber der durchschnittlichen Einzelzellenspannung des Stapels. Dieses kann zu einem unvorteilhaften Betrieb, im Extremfall zu einer beschleunigten Zellalterung oder sogar Oxidationsereignissen (Rapid Oxidation Event, ROE) des Katalysators führen.
Um abweichende Spannungs- oder Leistungsparameter von Einzelzellen eines Stapels zu erkennen und gegenzusteuern, ist bekannt, eine Messung der Einzelzellspannung (Cell Voltage Measurement, CVM) jeder einzelnen Zelle vorzunehmen. Die Anbindung einer solchen CVM erfolgt derzeit über eine elektrische Kontaktierung der Bipolarplatten, zumeist über eine aufwendige Verkabelung nach außen. Dabei sind die Messorte üblicherweise in dem inaktiven Versorgungsbereich der Einzelzellen, außerhalb des aktiven Bereichs, untergebracht.
US 2009/0220827 A1 beschreibt einen Brennstoffzellenstapel, mit zellinterner Messung der Einzelzellspannung, wobei jede Einzelzelle mit einem RFID-Transponder ausgestattet ist. Der Transponder ist hierbei innerhalb eines inaktiven Bereichs der Membran-Elektroden-Anordnungen angeordnet und mit einem Sensor zur Messung der Spannung oder weiteren Parametern ausgestattet.
Bei der Fertigung von Brennstoffzellensystemen wird eine Vielzahl von Bauteilen verbaut. Insbesondere erfordert die Montage des Brennstoffzellenstapels selbst das Zusammensetzen mehrerer hundert Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Anordnungen und gegebenenfalls separater Lagen für Dichtungen, Gasdiffusionslagen etc. Der Zusammenbau ist aufwendig und nur schwer automatisierbar. Zur Identifizierung und Nichtverfolgung der Bauteile werden derzeit zumeist Barcodes oder Prägungen eingesetzt. Beides ist bei immer dünner werdenden Plattenstärken der Bauteile, insbesondere der Bipolarplatten, die heute bei 0,5 bis 2 mm liegen, erschwert.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Fertigungsverfahren zur Verfügung zu stellen, dass eine vereinfachte Rückverfolgung von Bauteilen, verkürzte Rüstzeiten und einen hohen Automatisierungsgrad erlaubt.
Diese Aufgaben werden teilweise oder vollständig durch ein Verfahren zur Fertigung eines Brennstoffzellenstapels sowie durch eine in dem Verfahren verwendbare Bipolarplatte mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Fertigung eines Brennstoffzellenstapels umfasst die Schritte:

– Fertigen des Brennstoffzellenstapels durch abwechselndes Zusammensetzen einer Mehrzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen und einer Mehrzahl von Bipolarplatten, wobei mindestens eine der Bipolarplatten und/oder mindestens eine der Membran-Elektroden-Anordnungen einen integrierten Transponder aufweist, der zumindest eine gespeicherte Bauteilinformation aufweist,
– Betreiben des Brennstoffzellenstapels und Erfassen eines Messwerts mindestens eines Betriebsparameters des Brennstoffzellenstapels;
– Erfassen zumindest einer der Bauteilinformation durch einen mit dem Transponder kommunizierenden Leser und
– Speichern des erfassten Messwerts und/oder einer mit diesem korrelierenden Größe und der erfassten Bauteilinformation in einander zugeordneter (verknüpfter) Form.

Erfindungsgemäß weist somit zumindest eines der Bauteile des Brennstoffzellenstapels (Bipolarplatte und/oder Membran-Elektroden-Anordnung) zumindest eine im Transponder gespeicherte Bauteilinformation auf. Dies ermöglicht, dass beim Betreiben des Brennstoffzellenstapels zum Zwecke der Konditionierung und/oder Funktionskontrolle auf dem Prüfstand der dort erfasste Messwert des untersuchten Betriebsparameters des Brennstoffzellenstapels zusammen mit der durch den Transponder übermittelten Bauteilinformation ausgelesen und verknüpft miteinander gespeichert werden. Dieses ermöglicht eine eindeutige Zuordnung des Bauteils und/oder des Brennstoffzellenstapels zu den erfassten Betriebsparametermesswerten. Dabei wird unter einem einander zugeordneten Speichern ein elektronisches Speichern in einem computerlesbaren Medium verstanden, sodass der Messwert und die Bauteilinformation in einem logischen Zusammenhang miteinander stehen. Beispielsweise erfolgt das Speichern des mindestens einen Messwerts und der mindestens einen Bauteilinformation in einer strukturierten Datenbank. Diese insbesondere in einer Datenbank gespeicherten Daten können einerseits zur Dokumentation der Funktionsüberprüfung des Brennstoffzellenstapels im Rahmen einer abschließenden Qualitätskontrolle des Fertigungsprozesses dienen und andererseits für spätere Wartungs- und/oder Reparaturereignisse als Referenzdaten verwendet werden. Durch die Verknüpfung des Messwerts und der Bauteilinformation wird die korrekte Korrelation dieser beiden Daten gewährleistet. Gegenüber der Verwendung eines Barcodes oder einer Prägung im Material des entsprechenden Bauteils hat ein Transponder weiterhin den Vorteil, auch im verbauten Zustand auslesbar zu sein, da er kabellos über Funk mit dem Leser kommuniziert.
Bei dem im erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführten Betreiben des Brennstoffzellenstapels handelt es sich um einen Betrieb des Stapels im Rahmen seiner Fertigung, um eine abschließende Funktionskontrolle und/oder Konditionierung des Stapels vor seiner Freigabe zur Auslieferung durchzuführen. Dieses Betreiben erfolgt insbesondere auf einem Prüfstand, bei dem der Brennstoffzellenstapel mit definierten Betriebsgasen unter definierten Bedingungen betrieben wird.
Bei der Bauteilinformation kann es sich beispielsweise um eine Information des den Transponder umfassenden Bauteils, also der Bipolarplatte und/oder Membran-Elektroden-Anordnung, handeln und/oder um eine Information des (gesamten) Brennstoffzellenstapels und/oder eines (nur einige Zellen des Stapels umfassenden) Zellblocks handeln. In Ausführungsbeispielen ist die Bauteilinformation ausgewählt aus der Gruppe Material oder Materialkombination des Bauteils und/oder des Stapels, Bauteilnummer, Chargennummer des Bauteils, Seriennummer des Stapels, Herstellungsdatum des Bauteils, Fertigungsdatum des Stapels, Anzahl der Einzelzellen und/oder Reihenfolge der Komponenten etc. Die eindeutige Zuordnung dieser Information zu den erfassten Netzwerken des oder der Betriebsparameter erlaubt nicht nur eine bessere Qualitätskontrolle, sondern auch eine erheblich erleichterte Fehlersuche bei auftretenden Störungen.
Der beim Betreiben des Brennstoffzellenstapels erfasste Betriebsparameter umfasst vorzugsweise eine Spannung, einen Strom, eine Leistung, eine Temperatur, eine Feuchtigkeit und/oder einen Betriebsmitteldruck. Sämtliche der vorgenannten Parameter können abhängig von der Ausstattung des Brennstoffzellenstapels mit entsprechenden Messeinrichtungen für den gesamten Stapel, einzelnen Zellblöcken oder Einzelzellen erfasst werden. Besonders relevante Kenngrößen für die Funktionskontrolle eines gefertigten Brennstoffzellenstapels stellen die Stapel- beziehungsweise Einzelzellspannung sowie der Betriebsmitteldruck dar, welche Aufschluss über die Performance des Stapels beziehungsweise seine Dichtigkeit geben.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens umfasst der Transponder mindestens einen Sensor zur Erfassung eines der vorgenannten Betriebsparameter. Die Ausstattung von Transpondern mit integrierten Sensoren ist allgemein bekannt und beispielsweise in US 2009/0220827 A1 beschrieben. In dieser Ausführung ist vorgesehen, dass der Messwert des zumindest einen Betriebsparameters während der Funktionskontrolle oder des Konditionierungsbetriebs des Brennstoffzellenstapels mittels dieses Transpondersensors erfasst wird. Gemäß dieser Ausführung wird somit nicht nur die Bauteilinformation durch den Transponder übermittelt, sondern parallel hierzu auch der erfasste Messwert des Betriebsparameters. Auf diese Weise wird der Fertigungsprozess erheblich vereinfacht. Zudem wird der Verkabelungsaufwand für eine herkömmliche Sensorik deutlich reduziert, da der Transponder kabellos mit dem Leser kommuniziert.
Sofern der Transponder ausschließlich zur Übermittlung von Bauteilinformation im Rahmen der Funktionsüberwachung und/oder Konditionierung des Brennstoffzellenstapels vorgesehen ist, reicht grundsätzlich ein einziger im Brennstoffzellenstapel verbauter Transponder aus. Auch in der Ausführung des Transponders mit integriertem Sensor zur Erfassung des Betriebsparameters ist grundsätzlich ein einziger Transponder ausreichend, um diesen Betriebsparameter jedenfalls für den gesamten Brennstoffzellenstapel zu messen und zu übermitteln.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist jedoch vorgesehen, dass sämtliche Bipolarplatten und/oder sämtliche Membran-Elektroden-Anordnungen jeweils einen mit einem Sensor ausgestatteten Transponder aufweisen und der Messwert des Betriebsparameters für jede Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels individuell erfasst wird. Auf diese Weise kann trotz niedrigem Verkabelungsaufwand eine zellindividuelle Funktionsprüfung und Registrierung des Brennstoffzellenstapels erfolgen.
Gemäß einer alternativen Ausführung weist nur ein Teil der Bipolarplatten des Stapels und/oder nur ein Teil der Membran-Elektroden-Anordnungen des Stapels einen mit einem Sensor ausgestatteten Transponder auf, wobei der Messwert des Betriebsparameters für Zellblöcke umfassend mehrere Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels erfasst wird. Insbesondere weist nur jede n-te Bipolarplatte und/oder nur jede n-te Membran-Elektroden-Anordnung jeweils einen Transponder auf, sodass der Messwert des Betriebsparameters für Zellblöcke erfasst wird, die eine Anzahl von n Einzelzellen umfassen. Dabei ist die Zahl n eine ganze natürliche Zahl, beispielsweise im Bereich von 5 bis 50, insbesondere 10, 15, 20 oder 25. Sind in dieser Ausführung die Transponder beispielsweise mit einem Spannungssensor ausgestattet, so wird die Zellspannung (Potenzialdifferenz) über den gesamten, n Einzelzellen umfassenden Zellblock gemessen, sodass sich die Einzelzellspannung aus der für den Zellblock gemessenen Spannung dividiert durch die Anzahl n der Einzelzellen des Zellblocks ergibt. Die Erfassung des Messparameters über Zellblöcke reduziert die Anzahl der zu integrierenden Sensoren und somit die Herstellungskosten.
Im Falle des Einsatzes eines oder mehrerer Transponder, der/die mit einem Sensor ausgestattet ist/sind, können diese vorzugsweise auch zur Funktionsüberwachung und Steuerung im regulären Betrieb des Brennstoffzellenstapels außerhalb von Prüfstandsmessungen eingesetzt werden. Im regulären Betrieb ist die kabellose Messdatenerfassung und Übermittlung von besonderem Vorteil. Ebenso ist hier, insbesondere im Falle von einer zellindividuellen oder einer blockweisen Messdatenerfassung, vorteilhaft möglich, bei Feststellung eines „Ausreißens“ des gemessenen Parameters Gegenmaßnahmen auszuführen, um den Parameter der betreffenden Einzelzellen oder des Zellblocks anzugleichen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Bipolarplatte, die zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist. Die erfindungsgemäße Bipolarplatte zeichnet sich durch einen integrierten Transponder, insbesondere einen RFID-Transponder aus. Da Bipolarplatten gegenüber Membran-Elektroden-Anordnungen eine deutlich höhere mechanische Festigkeit aufweisen, lässt sich der Transponder einfacher in Bipolarplatten integrieren. Die Anordnung des Transponders ist insbesondere im Falle seiner Ausstattung mit einem Spannungssensor in der Bipolarplatte von Vorteil, da der Spannungsabgriff ohnehin über die elektrisch-leitfähige Bipolarplatte erfolgt.
Bei dem Transponder handelt es sich vorzugsweise um einen RFID-Transponder (Radio Frequency Identification), da RFID-Transponder kostengünstig sind, in einem gesundheitlich unbedenklichen Bereich senden und empfangen sowie vergleichsweise wenig durch elektromagnetische Felder gestört werden.
Ferner kann der Transponder ein aktiver, vorzugsweise aber passiver Transponder sein. Passive Transponder beziehen die für ihre Funktion erforderliche Energie direkt aus dem Signal des kommunizierenden Lesers. Demgegenüber benötigen aktive Transponder eine eigene Energiequelle, beispielsweise eine Batterie, oder eine sonstige elektrische Versorgung. Letztere kann unmittelbar aus der Brennstoffzelle, insbesondere über die Bipolarplatte bezogen werden.
In einer Ausführung weist der Transponder zumindest einen Sensor zur Erfassung des Messwerts des Betriebsparameters auf. In diesem Fall kann bevorzugt vorgesehen sein, dass zumindest der Sensor des Transponders (oder aber der Transponder inklusive Sensor) innerhalb eines betriebsmittelführenden Bereichs der Bipolarplatte oder in Kontakt zu einem solchen Bereich angeordnet ist. Diese Ausgestaltung ist besonders dann von Vorteil, wenn der Sensor ausgebildet ist, einen thermodynamischen Betriebsparameter, beispielsweise Druck, Feuchtigkeit oder Temperatur zu erfassen. Auf diese Weise können diese thermodynamischen Betriebsparameter unmittelbar am Ort der Brennstoffzellenreaktion oder in deren Nähe erfasst werden, während im Stand der Technik oft nur eine Messung am Ausgang des Brennstoffzellenstapels möglich ist. Besonders bevorzugt ist, den Transponder beziehungsweise seinen Sensor in einem stromabwärtigen Bereich des betriebsmittelführenden Bereichs anzuordnen. Dies ermöglicht eine besonders präzise Erfassung des Parameters für den aktiven Bereich.
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Transponder innerhalb der Bipolarplatte angeordnet, insbesondere in der Bipolarplatte so eingebettet, dass er von der Umgebung abgeschirmt ist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Transponder zwischen zwei Halbplatten, aus denen die Bipolarplatte gefertigt ist, angeordnet wird. In dieser Anordnung wird der Transponder besonders wirkungsvoll vor den Betriebsmedien geschützt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, der eine erfindungsgemäße Bipolarplatte aufweist, insbesondere eine Mehrzahl von diesen. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, mit einem solchen Brennstoffzellenstapel. Insbesondere weist das Brennstoffzellensystem neben dem Brennstoffzellenstapel eine Anodenversorgung und eine Kathodenversorgung mit den entsprechenden Peripheriekomponenten auf.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ein solches Brennstoffzellensystem mit entsprechendem Brennstoffzellenstapel aufweist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie die Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer Traktionsbatterie und/oder anderer elektrischer Verbraucher bedient.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
2 eine Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Anordnung mit Transponder;
3 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte mit Transponder und
4 eine Detailansicht eines RFID-Transponders und RFID-Lesers.
1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweist sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 wie dargestellt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 aufweisen, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ist ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mit welchem die Rezirkulationsrate einstellbar ist.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden.
Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbindet, also einen Bypass des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt. Die Wastegate-Leitung 37 erlaubt, überschüssigen Luftmassenstrom an dem Brennstoffzellenstapel 10 vorbeizuführen, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 dient der Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmediums. Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein. Entsprechende weitere Stellmittel können in den Leitungen 21, 22, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isolieren zu können.
Das Brennstoffzellensystem 100 kann ferner ein Befeuchtermodul 39 aufweisen. Das Befeuchtermodul 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass er von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Befeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird.
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann in dem Anoden- und/oder Kathodenabgaspfad 22, 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten. Schließlich kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zumindest eine der Einzelzellen 11 des Brennstoffzellenstapels 10, insbesondere deren Bipolarplatte 15 und/oder Membran-Elektroden-Anordnung 14, mit einem Transponder ausgestattet. Die 2 und 3 zeigen jeweils eine beispielhafte erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung 14 und Bipolarplatte 15 mit Transponder 160 in einer Draufsicht.
Beide Bauteile unterteilen sich funktionell in einen aktiven Bereich AA und inaktive Bereiche IA. Der aktive Bereich AA zeichnet sich dadurch aus, dass in diesem Bereich die Brennstoffzellreaktionen stattfinden. Zu diesem Zweck weist die Membran-Elektroden-Anordnung 14 im aktiven Bereich AA beidseits der Polymerelektrolytmembran eine katalytische Elektrode 143 auf. Die inaktiven Bereiche IA, lassen sich jeweils in Versorgungsbereiche SA und Verteilerbereiche DA unterteilen. Innerhalb der Versorgungsbereiche SA sind Versorgungsöffnungen 144 bis 147 seitens der Membran-Elektroden-Anordnung 14 beziehungsweise 154 bis 159 seitens der Bipolarplatte 15 angeordnet, die im gestapelten Zustand im Wesentlichen miteinander fluchten und Hauptversorgungskanäle innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 ausbilden. Die Anodeneinlassöffnungen 144 beziehungsweise 154 dienen der Zuführung des Anodenbetriebsgases, also des Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff. Die Anodenauslassöffnungen 145 beziehungsweise 155 dienen der Abführung des Anodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Kathodeneinlassöffnungen 146 beziehungsweise 156 dienen der Zuführung des Kathodenbetriebsgases, das insbesondere Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gemisch, vorzugsweise Luft ist. Die Kathodenauslassöffnungen 147 beziehungsweise 157 dienen der Abführung des Kathodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Kühlmitteleinlassöffnungen 148 beziehungsweise 158 dienen der Zuführung und die Kühlmittelauslassöffnungen 149 beziehungsweise 159 der Ableitung des Kühlmittels. Die Strömungsrichtung der Betriebsgase ist in den 2 und 3 mit dem Pfeil gekennzeichnet.
Die MEA 14 weist eine Anodenseite 141 auf, die in 2 sichtbar ist. Somit ist die dargestellte katalytische Elektrode 143 als Anode ausgebildet, beispielsweise als Beschichtung auf der Polymerelektrolytmembran. Die in 2 nicht sichtbare Kathodenseite 142 weist eine entsprechende katalytische Elektrode, hier die Kathode auf. Die Polymerelektrolytmembran kann sich über die gesamte Ausbreitung der Membran-Elektroden-Anordnung 14 erstrecken, mindestens aber über den aktiven Bereich AA. In den inaktiven Bereichen IA kann eine verstärkende Trägerfolie angeordnet sein, welche die Membran einfasst.
Die in 3 dargestellte Bipolarplatte 15 weist ebenfalls eine in der Darstellung sichtbare Kathodenseite 152 auf sowie eine nicht sichtbare Anodenseite 151. In typischen Ausführungen ist die Bipolarplatte 15 aus zwei zusammengefügten Plattenhälften, der Anodenplatte und der Kathodenplatte, aufgebaut. Auf der dargestellten Kathodenseite 152 sind Betriebsmittelkanäle 153 als offene rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet, welche die Kathodeneinlassöffnung 156 mit der Kathodenauslassöffnung 157 verbinden. Dargestellt sind lediglich fünf exemplarische Betriebsmittelkanäle 153, wobei üblicherweise eine wesentlich größere Anzahl vorhanden ist. Desgleichen weist die hier nicht sichtbare Anodenseite 151 entsprechende Betriebsmittelkanäle auf, welche die Anodeneinlassöffnung 154 mit der Anodenauslassöffnung 155 verbinden. Auch diese Betriebsmittelkanäle für das Anodenbetriebsmedium sind als offene, rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet. Im Inneren der Bipolarplatte 15, insbesondere zwischen den beiden Plattenhälften, verlaufen eingeschlossene Kühlmittelkanäle, welche die Kühlmitteleinlassöffnung 158 mit der Kühlmittelauslassöffnung 151 verbinden. Mit den unterbrochenen Linien sind in 3 Dichtungen angedeutet.
Erfindungsgemäß weist die Membran-Elektroden-Anordnung 14 und/oder – bevorzugt – die Bipolarplatte 15 einen Transponder 160 auf, insbesondere einen RFID-Transponder, besonders bevorzugt einen passiven RFID-Transponder. Ein solcher Transponder 160 ist in 4, rechte Seite vereinfacht dargestellt. In seiner einfachsten Ausführung weist ein solcher passiver RFID-Transponder im Wesentlichen lediglich einen Transponderchip 161 mit einem integrierten Schaltkreis sowie eine Transponderspule 162 auf. Bereits in dieser Ausgestaltung ist der Transponder geeignet, Bauteileinformation der Membran-Elektroden-Anordnung 14 beziehungsweise der Bipolarplatte 15 oder auch des Brennstoffzellenstapels 10 insgesamt oder Teilen von diesem zu speichern und zu senden. Zu diesem Zweck ist der Transponder 160 eingerichtet, mit einem Leser, hier einem RFID-Leser 170 zu kommunizieren. Dabei sendet der Leser 170 ein Anregungssignal im Radiofrequenzbereich aus, das die Transponderspule 162 anregt. Hierdurch ausgelöst sendet der Transponder 160 ein Antwortsignal ebenfalls im Radiofrequenzbereich, welches vom RFID-Leser 170 empfangen und weitergeleitet und/oder gespeichert wird. Das Antwortsignal umfasst erfindungsgemäß zumindest eine Bauteilinformation des Bauteils 14, 15 selbst und/oder des Stapels 10 (oder eines Zellblocks).
In bevorzugter Ausführung ist der Transponder 160 mit zumindest einem Sensor 163 ausgestattet, welcher geeignet und eingerichtet ist, ein Betriebsparameter des Brennstoffzellenstapels oder der Einzelzelle 11 zu erfassen. In dieser Ausgestaltung sendet der Transponder 160 im Falle seiner Anregung nicht nur die Bauteilinformationen sondern auch den mit dem Sensor 163 gemessenen Messwert des betreffenden Betriebsparameters.
Insbesondere wenn der Transponder 160 mit einem Sensor 163 zur Erfassung eines thermodynamischen Betriebsparameters der Brennstoffzelle ausgestattet ist, ist der Transponder 160, zumindest aber sein Sensor 163 bevorzugt so in der MEA 14 oder der Bipolarplatte 15 angeordnet, dass der Sensor 163 mit einem betriebsmittelführenden Bereich des Bauteils in Kontakt steht. Dies kann im aktiven Bereich AA, in einem der Verteilerbereiche DA oder aber auch in einer der Versorgungsöffnungen 144–149 beziehungsweise 154–159 sein. Vorzugsweise ist der Transponder 160 in einem in Strömungsrichtung des Betriebsmediums stromabwärtigen Bereich des Bauteils 14, 15 angeordnet, beispielsweise, wie in den 2 und 3 dargestellt, in dem stromabwärtigen Verteilerbereich DA des betreffenden Bauteils. Diese Anordnung erlaubt die Erfassung des Betriebsparameters direkt oder in unmittelbarer Nähe des aktiven Bereichs AA, in dem die Brennstoffzellenreaktion stattfindet. Im regulären Betrieb (außerhalb eines Prüfstandsmessung) des Brennstoffzellensystems 100 werden die von dem Transponder 160 erfassten Messwerte des oder der Betriebsparameter an den Leser 170 gesendet, welcher beispielsweise in einer Steuereinrichtung für das Brennstoffzellensystem integriert sein kann.
Obwohl grundsätzlich bereits die Anordnung eines einzigen Transponders 160 in einem der Bauteile, also einer MEA 14 oder einer Bipolarplatte 15 ausreichend ist, sind vorzugsweise mehrere Transponder 160, beispielsweise in jeder Bipolarplatte 15 oder in jeder n-ten Bipolarplatte 15 verbaut. Dies ermöglicht eine zellindividuelle beziehungsweise eine blockweise Erfassung des betreffenden Betriebsparameters.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Fertigung eines Brennstoffzellenstapels 10 in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Zunächst wird der Brennstoffzellenstapel 10 montiert, in dem abwechselnd eine Membran-Elektroden-Anordnung 14 und eine Bipolarplatte 15 aufeinander gestapelt werden, sodass korrespondierende Versorgungsöffnungen fluchtend aufeinander liegen. Beispielsweise werden auf diese Weise 200 Membran-Elektroden-Anordnungen 14 zwischen 201 Bipolarplatten 15 angeordnet, sodass ein Stapel 10 mit 200 Einzelzellen 11 entsteht. Gemäß einem bevorzugten Beispiel weist jede zehnte Bipolarplatte 15 einen Transponder 160 gemäß 3 auf, während alle übrigen Bipolarplatten 15 keinen solchen Transponder 160 aufweisen. Ebenso können die hier eingesetzten Membran-Elektroden-Anordnungen 14 keinen Transponder 160 aufweisen. Nach Zusammensetzen des Stapels werden diese Komponenten üblicherweise zwischen zwei Endplatten verpresst, wobei beispielsweise Spannelemente eingesetzt werden. Hierbei werden die einzelnen Bauteile so aneinander gepresst, dass über die umlaufenden Dichtungen (in 3 durch die unterbrochenen Linien angedeutet) eine fluiddichte Abdichtung nach außen erzielt wird.
Anschließend wird der so erzeugte Brennstoffzellenstapel 10 auf einem Prüfstand mit definierten Betriebsmedien versorgt und unter definierten Bedingungen betrieben. Dieser Vorgang dient insbesondere der Funktionskontrolle, beispielsweise der Überprüfung der Dichtigkeit des Stapels und/oder seiner elektrischen Performance. Zu diesem Zweck misst der Transponder 160 mittels seines Sensors 163 die Zellspannung und mittels eines weiteren in 4 nicht dargestellten Sensors, der in Kontakt mit dem Betriebsmedium steht, den Gasdruck in der Zelle. Die erfassten Messwerte werden von dem Transponder 160 an einen RFID-Leser 170 des Prüfstands gesendet. Parallel hierzu werden die in dem Transponder 160 gespeicherten Bauteilinformationen an den Leser 170 gesendet. Die verschiedenen Bauteilinformationen, die in 4 durch das Zeichen BT_i angedeutet sind, umfassen beispielsweise das Material oder die Materialzusammensetzung der Bipolarplatte 15, ihr Herstellungsdatum, ihre Bauteilnummer etc. Sie können jedoch auch Bauteilinformationen über den gesamten Stapel und auch andere Bauteile, insbesondere der Membran-Elektroden-Anordnung 14 umfassen, beispielsweise das Fertigungsdatum des Stapels, die Anzahl der Einzelzellen, Materialkombinationen der MEA 14 etc. Der RFID-Leser 170 des Prüfstands übermittelt diese Daten an eine nicht dargestellte Recheneinheit, welche die Bauteilinformationen BT_i einerseits und die erfassten Messwerte P_i, U_i etc. andererseits in einander zugeordneter Form. also logisch miteinander verknüpft in einer Datenbank speichert. Diese Informationen dienen einerseits der Dokumentation der abschließenden Qualitätskontrolle des Fertigungsprozesses sowie auch als Referenzdaten einer späteren Wartung oder Reparatur des Brennstoffzellenstapels 10.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
141: Anodenseite
142: Kathodenseite
143: katalytische Elektrode / Anode
144: Versorgungsöffnung / Anodeneinlassöffnung
145: Versorgungsöffnung / Anodenauslassöffnung
146: Versorgungsöffnung / Kathodeneinlassöffnung
147: Versorgungsöffnung / Kathodenauslassöffnung
148: Versorgungsöffnung / Kühlmitteleinlassöffnung
149: Versorgungsöffnung / Kühlmittelauslassöffnung
15: Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)
151: Anodenseite
152: Kathodenseite
153: Betriebsmittelkanal (Reaktantenkanal)
154: Versorgungsöffnung / Anodeneinlassöffnung
155: Versorgungsöffnung/ Anodenauslassöffnung
156: Versorgungsöffnung / Kathodeneinlassöffnung
157: Versorgungsöffnung / Kathodenauslassöffnung
158: Versorgungsöffnung / Kühlmitteleinlassöffnung
159: Versorgungsöffnung / Kühlmittelauslassöffnung
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungspfad
22: Anodenabgaspfad
23: Brennstofftank
24: Stellmittel
25: Brennstoffrezirkulationsleitung
26: Stellmittel
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungspfad
32: Kathodenabgaspfad
33: Verdichter
34: Elektromotor
35: Leistungselektronik
36: Turbine
37: Wastegate-Leitung
38: Stellmittel
39: Befeuchtermodul
160: Transponder / RFID-Transponder
161: Transponderchip
162: Transponderspule
163: Sensor
170: Leser / RFID-Leser
AA: Aktiver Bereich (Reaktionsbereich, active area)
IA: Inaktiver Bereich (inactive area)
SA: Versorgungsbereich (supply area)
DA: Verteilerbereich (distribution area)
S: Stapelrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2009/0220827 A1 [0006, 0015]

Claims

Verfahren zur Fertigung eines Brennstoffzellenstapels (10), mit den Schritten: – Fertigen des Brennstoffzellenstapels (10) durch abwechselndes Zusammensetzen einer Mehrzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen (14) und einer Mehrzahl von Bipolarplatten (15), wobei mindestens eine der Bipolarplatten (15) und/oder mindestens eine der Membran-Elektroden-Anordnungen (14) einen integrierten Transponder (160) aufweist, der zumindest eine gespeicherte Bauteilinformation aufweist, – Betreiben des Brennstoffzellenstapels (10) und Erfassen eines Messwerts mindestens eines Betriebsparameters des Brennstoffzellenstapels (10); – Erfassen zumindest einer der Bauteilinformationen durch einen mit dem Transponder (160) kommunizierenden Leser (170) und – Speichern des erfassten Messwerts und/oder einer mit diesem korrelierenden Größe und der erfassten Bauteilinformation in einander zugeordneter Form.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilinformation mindestens eine Information des den Transponder (160) umfassenden Bauteils (14, 15) und/oder des Brennstoffzellenstapels (10) und/oder eines Zellblocks des Brennstoffzellenstapels (10) ist, ausgewählt aus der Gruppe Material, Materialkombination, Bauteilnummer, Seriennummer, Chargennummer, Herstellungsdatum des Bauteils, Fertigungsdatum des Stapels, Anzahl der Einzelzellen und Reihenfolge der Komponenten.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Betriebsparameter eine Spannung, einen Strom, eine Leistung, eine Temperatur, eine Feuchtigkeit und/oder einen Betriebsmitteldruck des Brennstoffzellenstapels (10) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder (160) zumindest einen Sensor (163) aufweist und der Messwert des Betriebsparameters mittels des Sensors (163) des Transponders (160) erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Bipolarplatten (15) und/oder sämtliche Membran-Elektroden-Anordnungen (14) einen einen Sensor (163) aufweisenden Transponder (160) aufweisen und der Messwert des Betriebsparameters für jede Einzelzelle (11) des Brennstoffzellenstapels (10) erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil der Bipolarplatten (15), insbesondere jede n-te Bipolarplatte (15), und/oder nur ein Teil der Membran-Elektroden-Anordnungen (14), insbesondere jede n-te Membran-Elektroden-Anordnung (14), einen Transponder (160) aufweist und der Messwert des Betriebsparameters für Zellblöcke umfassend mehrere Einzelzellen (11), insbesondere n Einzelzellen (11), des Brennstoffzellenstapels (10) erfasst wird.
Bipolarplatte (15), die zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (15) einen integrierten Transponder (160) aufweist.
Bipolarplatte (15) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder (160) ein RFID-Transponder ist.
Bipolarplatte (15) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder (160) einen Sensor (163) aufweist und zumindest der Sensor (163) innerhalb eines betriebsmittelführenden Bereichs der Bipolarplatte (15) oder in Kontakt mit einem solchen angeordnet ist, insbesondere in einem stromabwärtigen Bereich desselben.
Bipolarplatte (15) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder (160) innerhalb der Bipolarplatte (15) angeordnet ist.