DE102021209028A1 - Method for determining humidity in a fuel cell stack, Fuel cell stack - Google Patents

Method for determining humidity in a fuel cell stack, Fuel cell stack Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Membranfeuchte in den Brennstoffzellen (1) eines Brennstoffzellenstapels (2), bei dem mit Hilfe mindestens eines am oder im Brennstoffzellenstapel (2) angeordneten Sensors (3, 4)a) eine Länge (L) und/oder eine Längenänderung (ΔL) des Brennstoffzellenstapels (2) und/oderb) eine Kraft (F) und/oder eine Kraftänderung (ΔF) in einem Verspannungsbereich (5) der Brennstoffzellen (1) erfasst wird bzw. werden, der mindestens eine erfasste Wert mit vorab ermittelten Werten bei bekannter Membranfeuchte verglichen wird und hieraus die aktuelle Membranfeuchte abgeleitet wird.Die Erfindung betrifft ferner einen Brennstoffzellenstapel (2), der zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.The invention relates to a method for determining the membrane moisture in the fuel cells (1) of a fuel cell stack (2), in which at least one sensor (3, 4)a) arranged on or in the fuel cell stack (2) measures a length (L) and/or or a change in length (ΔL) of the fuel cell stack (2) and/orb) a force (F) and/or a change in force (ΔF) in a bracing area (5) of the fuel cells (1) is/are recorded, the at least one recorded value is compared with previously determined values when the membrane moisture is known and the current membrane moisture is derived therefrom.The invention also relates to a fuel cell stack (2) which is suitable for carrying out the method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Feuchte in einem Brennstoffzellenstapel. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.The invention relates to a method for determining the humidity in a fuel cell stack. In addition, the invention relates to a fuel cell stack which is suitable for carrying out the method according to the invention.

Stand der TechnikState of the art

Wasserstoff basierte Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser. Sie gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. In der praktischen Anwendung werden mehrere Brennstoffzellen, beispielsweise 400 Brennstoffzellen, zu einem Brennstoffzellenstapel, auch „Stack“ genannt, zusammengefasst. Auf diese Weise wird ein technisch nutzbares Spannungsniveau von beispielsweise 250 bis 400 V erreicht.Hydrogen based fuel cells convert hydrogen and oxygen into electrical energy, heat and water. They are regarded as the mobility concept of the future because they only emit water as exhaust gas and enable fast refueling times. In practical application, several fuel cells, for example 400 fuel cells, are combined to form a fuel cell stack, also known as a "stack". In this way, a technically usable voltage level of, for example, 250 to 400 V is achieved.

Die Funktion von wasserstoffbasierten Brennstoffzellen beruht auf dem Prinzip einer protonenleitenden Membran, die einen Anodengasraum von einem Kathodengasraum trennt. Für eine gute Leitfähigkeit muss die Membran ausreichend befeuchtet sein. Eine zu trockene Membran führt zu einer niedrigeren Zellspannung und damit zu einer niedrigeren Effizienz. Der Betrieb bei zu trockener Membran kann darüber hinaus Risse im Membranmaterial erzeugen und somit die Lebensdauer der Zelle beeinträchtigen. Dabei neigt die Membran im Lufteintrittsbereich der Brennstoffzelle eher zum Austrocknen als im Luftaustrittsbereich. Denn die im Betrieb anfallende Wassermenge nimmt in Strömungsrichtung der Luft stetig zu. Im Luftaustrittsbereich besteht somit eher die Gefahr, dass es zu einem Fluten mit flüssigem Wasser kommt. Eine weitere Herausforderung stellt daher die gleichmäßige Verteilung von Wasser in der Brennstoffzelle dar.The function of hydrogen-based fuel cells is based on the principle of a proton-conducting membrane that separates an anode gas space from a cathode gas space. For good conductivity, the membrane must be sufficiently moistened. A membrane that is too dry leads to a lower cell voltage and thus to a lower efficiency. Operation when the membrane is too dry can also cause cracks in the membrane material and thus affect the life of the cell. The membrane in the air inlet area of the fuel cell tends to dry out more than in the air outlet area. Because the amount of water occurring during operation increases steadily in the direction of flow of the air. In the air outlet area, there is therefore more of a risk of flooding with liquid water. A further challenge is therefore the even distribution of water in the fuel cell.

Da das Wassermanagement Auswirkungen auf den Wirkungsgrad und die Lebensdauer eines Brennstoffzellenstapels hat, besteht ein allgemeines Interesse an einer Methodik zur Bestimmung der Feuchte und Feuchteverteilung in den Zellen. Aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren, beispielsweise mittels Messung der Feuchte am Ein- und/oder Austritt der Mediensysteme (Luftsystem, Wasserstoffsystem), sind in der Regel nicht ausgereift, da eine Automotive-taugliche Sensorik zur Feuchtebestimmung nicht verfügbar ist, und/oder weisen eine zu hohe Fehleranfälligkeit der Messkette aufgrund unvermeidbarer Temperaturdifferenzen zwischen der Messposition und dem tatsächlichen Zustand im Stack auf.Since water management has an impact on the efficiency and lifetime of a fuel cell stack, there is general interest in a methodology for determining humidity and humidity distribution in the cells. Methods known from the prior art, for example by measuring the moisture at the inlet and/or outlet of the media systems (air system, hydrogen system), are generally not mature, since automotive-compatible sensors for moisture determination are not available and/or have an excessively high error rate of the measurement chain due to unavoidable temperature differences between the measurement position and the actual state in the stack.

Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, ein optimiertes Verfahren zur Bestimmung der Feuchtigkeit in einem Brennstoffzellenstapel bereitzustellen. Idealerweise kann mit Hilfe des Verfahrens zugleich die Feuchteverteilung im Brennstoffzellenstapel erfasst werden.The present invention is therefore concerned with the task of providing an optimized method for determining the humidity in a fuel cell stack. Ideally, the moisture distribution in the fuel cell stack can be recorded at the same time with the aid of the method.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellenstapel angegeben, der zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.To solve the problem, the method with the features of claim 1 is proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the dependent claims. In addition, a fuel cell stack is specified which is suitable for carrying out the method.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Bestimmung der Membranfeuchte in den Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels wird bzw. werden mit Hilfe mindestens eines am oder im Brennstoffzellenstapel angeordneten Sensors

  1. a) eine Länge L und/oder eine Längenänderung ΔL des Brennstoffzellenstapels und/oder
  2. b) eine Kraft F und/oder eine Kraftänderung ΔF in einem Verspannungsbereich der Brennstoffzellen
erfasst. Der mindestens eine erfasste Wert wird mit vorab ermittelten Werten bei bekannter Membranfeuchte verglichen. Hieraus wird dann die aktuelle Membranfeuchte abgeleitet.In the proposed method for determining the membrane moisture in the fuel cells of a fuel cell stack, at least one sensor arranged on or in the fuel cell stack is or are used
  1. a) a length L and/or a change in length ΔL of the fuel cell stack and/or
  2. b) a force F and/or a change in force ΔF in a bracing area of the fuel cells
recorded. The at least one recorded value is compared with previously determined values when the membrane moisture is known. The current membrane humidity is then derived from this.

Das Verfahren nutzt den Zusammenhang zwischen der Feuchte und dem Dehnverhalten einer Membran. Denn die Membran besteht in der Regel aus einem Material, beispielsweise aus Nafion, das bei Feuchteaufnahme quillt und sich ausdehnt. Im Vergleich zu den weiteren Schichten einer Brennstoffzelle, wie beispielsweise der Gasdiffusionslagen, Strömungsfelder und Bleche, reagiert die Membran am stärksten auf Feuchteänderungen, so dass von der Länge bzw. einer Längenänderung eines Brennstoffzellenstapels auf die Membranfeuchte geschlossen werden kann.The process uses the relationship between moisture and the expansion behavior of a membrane. Because the membrane is usually made of a material, such as Nafion, which swells and expands when it absorbs moisture. Compared to the other layers of a fuel cell, such as the gas diffusion layers, flow fields and metal sheets, the membrane reacts most strongly to changes in humidity, so that conclusions can be drawn about the membrane humidity from the length or a change in length of a fuel cell stack.

Da Längenänderungen des Brennstoffzellenstapels zu Kräfteänderungen in den Verspannungsbereichen der Brennstoffzellen führen, kann ferner von einer Kraftänderung in einem Verspannungsbereich auf den Feuchtezustand in den Brennstoffzellen geschlossen werden. Alternativ oder ergänzend zur Länge bzw. Längenänderung kann daher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Kraft und/oder Kraftänderung in einem Verspannungsbereich erfasst und ausgewertet werden.Since changes in the length of the fuel cell stack lead to changes in forces in the bracing areas of the fuel cells, conclusions can also be drawn about the moisture state in the fuel cells from a force change in a bracing area. As an alternative or in addition to the length or change in length, the force and/or change in force in a bracing area can therefore also be recorded and evaluated according to the method according to the invention.

Die Auswertung erfolgt durch Vergleich eines erfassten bzw. gemessenen Werts mit Referenzwerten, die charakteristisch für eine bestimmte Membranfeuchte sind. Die Referenzwerte werden vorab ermittelt und gespeichert. Beispielsweise können die Referenzwerte als Kennlinien oder Kennfelder in einem Steuergerät abgelegt werden.The evaluation is carried out by comparing a recorded or measured value with reference values that are characteristic of a specific membrane humidity. The reference values are determined and saved in advance. For example, can the reference values are stored as characteristic curves or maps in a control unit.

Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens kann die aktuelle Feuchte in einem Brennstoffzellenstapel bestimmt werden. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht somit eine In-Situ Bestimmung des Feuchtzustands des Brennstoffzellenstapels. Wird eine zu niedrige oder zu hohe Feuchte in den Brennstoffzellen erkannt, können Maßnahmen dagegen eingeleitet werden. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens können somit der Wirkungsgrad sowie die Lebensdauer eines Brennstoffzellensystems gesteigert werden.The current humidity in a fuel cell stack can be determined with the aid of the proposed method. The proposed method thus enables an in-situ determination of the wet state of the fuel cell stack. If humidity levels in the fuel cells are too low or too high, countermeasures can be initiated. The efficiency and the service life of a fuel cell system can thus be increased with the aid of the proposed method.

Da das Dehnungsverhalten des Membranmaterials von der Feuchte und der Temperatur im Brennstoffzellenstapel beeinflusst wird, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass die aktuelle Temperatur gemessen und bei der Bestimmung der Membranfeuchte berücksichtigt. Bei gegebener bzw. bekannter Temperatur hängt die Längenänderung des Brennstoffzellenstapels unmittelbar vom Feuchtezustand ab. Durch Messung der Länge bzw. Längendifferenz kann dann auf die mittlere Membranfeuchte zurückgeschlossen werden.Since the expansion behavior of the membrane material is influenced by the humidity and the temperature in the fuel cell stack, it is proposed in a further development of the invention that the current temperature be measured and taken into account when determining the membrane humidity. At a given or known temperature, the change in length of the fuel cell stack depends directly on the humidity level. By measuring the length or length difference, conclusions can then be drawn about the average membrane moisture content.

Bei der Vorab-Ermittlung der Referenzwerte, die dem Vergleich zugrunde gelegt werden, wird vorzugsweise ebenfalls die Temperatur berücksichtigt, so dass die Vergleichbarkeit gewährleistet ist.When the reference values on which the comparison is based are determined in advance, the temperature is preferably also taken into account, so that comparability is ensured.

Vorteilhafterweise wird bzw. werden die Länge L und/oder die Längenänderung ΔL des Brennstoffzellenstapels in einem Lufteintrittsbereich und einem Luftaustrittsbereich der Brennstoffzellen erfasst, eine Differenz ermittelt und von der Differenz auf die Feuchteverteilung in den Brennstoffzellen geschlossen. Auf diese Weise können Inhomogenitäten der Feuchteverteilung innerhalb der Brennstoffzellen festgestellt werden. Bei einer deutlichen Feuchteinhomogenität können Maßnahmen dagegen eingeleitet werden.Advantageously, the length L and/or the change in length ΔL of the fuel cell stack is/are recorded in an air inlet area and an air outlet area of the fuel cells, a difference is determined and the moisture distribution in the fuel cells is deduced from the difference. In this way, inhomogeneities in the moisture distribution within the fuel cells can be determined. Measures can be taken to counteract this if there is significant moisture inhomogeneity.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Erfassung der Länge L und/oder der Längenänderung ΔL ein Abstand a des Brennstoffzellenstapels, insbesondere einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels, zu einer Gehäusewand gemessen. Denn mit der Längenänderung geht auch eine Änderung des Abstands a einher. Dehnt sich der Brennstoffzellenstapel aus, verkleinert sich der Abstand a. Zieht sich der Brennstoffzellenstapel zusammen, vergrößert sich der Anstand a.According to a preferred embodiment of the invention, a distance a between the fuel cell stack, in particular an end plate of the fuel cell stack, and a housing wall is measured to determine the length L and/or the change in length ΔL. Because the change in length is also accompanied by a change in the distance a. If the fuel cell stack expands, the distance a decreases. When the fuel cell stack contracts, the clearance a.

Längenänderungen des die Gehäusewand aufweisenden Gehäuses werden vorzugsweise bei der Messung berücksichtigt, wobei die Längenänderungen des Gehäuses vorrangig thermisch bedingt sind und nicht durch den Feuchtezustand des Brennstoffzellenstapels beeinflusst werden.Changes in length of the housing that has the housing wall are preferably taken into account in the measurement, with the changes in length of the housing primarily being thermally conditioned and not being influenced by the state of moisture in the fuel cell stack.

Der Abstand a definiert vorzugsweise den Abstand einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels zu einer Gehäusewand, die einer Gehäusewand gegenüberliegt, an welcher der Brennstoffzellenstapel befestigt ist. Da in der Regel der Brennstoffzellenstapel lediglich einseitig an einer Gehäusewand eines Gehäuses befestigt, beispielsweise aufgehängt, ist, kann er sich zur anderen Seite hin frei ausdehnen. An dieser Seite wird idealerweise der Abstand a gemessen.The distance a preferably defines the distance between an end plate of the fuel cell stack and a housing wall which is opposite a housing wall to which the fuel cell stack is attached. Since the fuel cell stack is generally only attached on one side to a housing wall of a housing, for example suspended, it can expand freely towards the other side. Ideally, the distance a is measured on this side.

Die Länge L und/oder die Längenänderung ΔL kann beispielsweise mit Hilfe eines piezoelektrischen, potentiometrischen, induktiven oder kapazitiven Sensors, mit Hilfe eines als Dehnmessstreifen ausgebildeten Sensors und/oder mittels Laser-Triangulation erfasst werden. Darüber hinaus können auch andere Messverfahren bzw. Sensoren eingesetzt werden.The length L and/or the change in length ΔL can be detected, for example, using a piezoelectric, potentiometric, inductive or capacitive sensor, using a sensor designed as a strain gauge and/or using laser triangulation. In addition, other measuring methods or sensors can also be used.

Zur Erfassung der Kraft F und/oder der Kraftänderung ΔF kann beispielsweise ein Zugkraftmesselement als Sensor verwendet werden, das in eine Zugstange zum Verspannen der Brennstoffzellen integriert ist.To detect the force F and/or the change in force ΔF, a tensile force measuring element can be used as a sensor, for example, which is integrated into a tie rod for bracing the fuel cells.

Alternativ oder ergänzend kann zur Erfassung der Kraft F und/oder der Kraftänderung ΔF ein Druckkraftmesselement als Sensor verwendet werden, das vorzugsweise im Bereich einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Das Druckkraftmesselement kann beispielsweise eine druckbelastete Kraftmessdose sein, die im Bereich einer Endplatte eingelegt wird.Alternatively or additionally, a pressure force measuring element can be used as a sensor for detecting the force F and/or the change in force ΔF, which element is preferably arranged in the area of an end plate of the fuel cell stack. The pressure force measuring element can be, for example, a pressure-loaded load cell that is inserted in the area of an end plate.

Im Betrieb eines Brennstoffzellenstapels wird vorzugsweise das vorgeschlagene Verfahren wiederholt durchgeführt. Aus der Vielzahl von Messdaten kann dann die thermomechanische Belastung des Brennstoffzellenstapels abgeleitet werden. Denn die vom thermodynamischen Zustand des Brennstoffzellenstapels abhängigen Längenänderungen stellen eine nicht unerhebliche Belastung des Brennstoffzellenstapels dar. Diese kann beispielsweise dazu führen, dass Dichtungen vorzeitig altern. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens kann somit zugleich die thermomechanische Belastung des Brennstoffzellenstapels ermittelt und gegebenenfalls minimiert werden, um die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels weiter zu steigern.In the operation of a fuel cell stack, the proposed method is preferably carried out repeatedly. The thermomechanical load on the fuel cell stack can then be derived from the multitude of measurement data. This is because the changes in length, which are dependent on the thermodynamic state of the fuel cell stack, represent a not inconsiderable load on the fuel cell stack. This can, for example, lead to seals aging prematurely. With the help of the proposed method, the thermomechanical load on the fuel cell stack can thus be determined at the same time and, if necessary, minimized in order to further increase the service life of the fuel cell stack.

Bevorzugt wird in Abhängigkeit von der thermomechanischen Belastung des Brennstoffzellenstapels die Betriebsstrategie angepasst, insbesondere wird bzw. werden

  • - bei sich wiederholenden negativen Längenänderungen der Druck und/oder die Temperatur im Brennstoffzellenstapel erhöht und
  • - bei sich wiederholenden positiven Längenänderungen der Druck und/oder die Temperatur im Brennstoffzellenstapel verringert.
The operating strategy is preferably adapted as a function of the thermomechanical load on the fuel cell stack, in particular it will be
  • - In the case of repeated negative changes in length, the pressure and/or the temperature in the fuel cell stack increases and
  • - In the case of repetitive positive changes in length, the pressure and/or the temperature in the fuel cell stack is reduced.

Sich wiederholende negative Längenänderungen sind ein Indiz für eine zu geringe Feuchte, so dass es ein Austrocknen der Zellmembranen zu verhindern gilt. Stark positive Längenänderungen sind umgekehrt ein Zeichen für eine zu hohe Feuchte. Durch Anpassen des Betriebsdrucks kann die Feuchte in den Brennstoffzellen eingestellt werden. Eine Druckerhöhung führt bei im Übrigen konstanten Parametern zu einer Erhöhung der Membranfeuchte. Demgegenüber führt ein Druckabsenkung zu einer Verringerung der Membranfeuchte.Repetitive negative changes in length are an indication of insufficient humidity, so that it is important to prevent the cell membranes from drying out. On the other hand, strongly positive changes in length are a sign of excessive humidity. The humidity in the fuel cells can be adjusted by adjusting the operating pressure. With otherwise constant parameters, an increase in pressure leads to an increase in membrane moisture. On the other hand, a drop in pressure leads to a reduction in membrane moisture.

Eine Anpassung der Betriebsstrategie kann grundsätzlich auf verschiedenen Ebenen durchgeführt werden, insbesondere

  • - auf Brennstoffzellensubsystem-Ebene, beispielsweise durch Anpassung der Kathodenluftversorgung,
  • - auf Brennstoffzellengesamtsystem-Ebene, beispielsweise durch Anpassung des Betriebsverhaltens des thermischen Systems und/oder des Luftsystems und/oder
  • - auf Fahrzeug-Ebene, beispielsweise durch Anpassung einer Start/Stopp-Strategie oder einer stärkeren Phlegmatisierung des Stack-Betriebs zur Reduzierung der Dehnungsspiele.
An adaptation of the operating strategy can basically be carried out on different levels, in particular
  • - at the fuel cell subsystem level, for example by adjusting the cathode air supply,
  • - At the level of the overall fuel cell system, for example by adjusting the operating behavior of the thermal system and/or the air system and/or
  • - At vehicle level, for example by adapting a start/stop strategy or making stack operation more phlegmatized to reduce expansion clearances.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl an Brennstoffzellen und mindestens einem am oder im Brennstoffzellenstapel angeordneten Sensor zur Erfassung

  1. a) einer Länge L und/oder einer Längenänderung ΔL des Brennstoffzellenstapels und/oder
  2. b) einer Kraft F und/oder einer Kraftänderung ΔF in einem Verspannungsbereich der Brennstoffzellen
vorgeschlagen.A fuel cell stack with a large number of fuel cells and at least one sensor arranged on or in the fuel cell stack for detection is also used to solve the task mentioned at the outset
  1. a) a length L and/or a change in length ΔL of the fuel cell stack and/or
  2. b) a force F and/or a change in force ΔF in a bracing area of the fuel cells
suggested.

Bei dem Sensor zur Erfassung der Länge L bzw. der Längenänderung ΔL kann es sich insbesondere um einen piezoelektrischen, potentiometrischen, induktiven oder kapazitiven Sensor oder einen als Dehnmessstreifen ausgebildeten Sensors handeln. Alternativ oder ergänzend kann die Länge L bzw. die Längenänderung ΔL mittels Laser-Triangulation erfasst werden.The sensor for detecting the length L or the change in length ΔL can be, in particular, a piezoelectric, potentiometric, inductive or capacitive sensor or a sensor designed as a strain gauge. Alternatively or additionally, the length L or the change in length ΔL can be detected by means of laser triangulation.

Vorzugsweise ist der Sensor zur Erfassung der Länge L bzw. der Längenänderung ΔL im Bereich einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels und einer Gehäusewand eines den Brennstoffzellenstapel aufnehmenden Gehäuses angeordnet. Dehnt sich der Brennstoffzellenstapel aus, verkleinert sich der Abstand zwischen der Endplatte und der Gehäusewand, so dass der Abstand gemessen und von dem gemessenen Abstand auf die Länge L bzw. die Längenänderung ΔL des Brennstoffzellenstapels geschlossen werden kann. Die Gehäusewand, im Bereich welcher der Sensor angeordnet ist, liegt vorzugsweise einer Gehäusewand des Gehäuses gegenüber, an welcher der Brennstoffzellenstapel befestigt, insbesondere aufgehängt, ist. Eine Längenänderung des Brennstoffzellenstapels wird auf diese Weise sicher erfasst.The sensor for detecting the length L or the change in length ΔL is preferably arranged in the region of an end plate of the fuel cell stack and a housing wall of a housing accommodating the fuel cell stack. If the fuel cell stack expands, the distance between the end plate and the housing wall decreases, so that the distance can be measured and the length L or the change in length ΔL of the fuel cell stack can be deduced from the measured distance. The housing wall in the area in which the sensor is arranged is preferably opposite a housing wall of the housing to which the fuel cell stack is attached, in particular suspended. A change in length of the fuel cell stack is reliably detected in this way.

Ferner bevorzugt wird die Länge L bzw. die Längenänderung ΔL in einem Lufteintrittsbereich und in einem Luftaustrittsbereich der Brennstoffzellen gemessen. Über die Differenz kann auf die Feuchteverteilung in den Brennstoffzellen geschlossen werden. In diesem Fall sind mindestens zwei Sensoren vorgesehen, von denen ein erster im Lufteintrittsbereich und ein zweiter im Luftaustrittsbereich angeordnet ist. Die beiden Sensoren können wiederum im Bereich einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels und einer Gehäusewand eines den Brennstoffzellenstapel aufnehmenden Gehäuses angeordnet sein, so dass die Länge L bzw. die Längenänderung ΔL jeweils mittelbar über den Abstand der Endplatte zur Gehäusewand erfasst werden kann.Furthermore, the length L or the change in length ΔL is preferably measured in an air inlet area and in an air outlet area of the fuel cells. The moisture distribution in the fuel cells can be deduced from the difference. In this case, at least two sensors are provided, of which a first is arranged in the air inlet area and a second in the air outlet area. The two sensors can in turn be arranged in the area of an end plate of the fuel cell stack and a housing wall of a housing accommodating the fuel cell stack, so that the length L or the change in length ΔL can be recorded indirectly via the distance between the end plate and the housing wall.

Zur Erfassung der Kraft F bzw. der Kraftänderung ΔF kann beispielsweise ein Zugkraftmesselement und/oder ein Druckkraftmesselement als Sensor eingesetzt werden. Das Zugkraftmesselement kann in eine Zugstange zum Verspannen der Brennstoffzellen integriert werden. Das Druckkraftmesselement kann beispielsweise eine druckbelastete Kraftmessdose sein, die im Bereich einer Endplatte des Brennstoffzellenstapel als eingelegt ist. Das jeweilige Kraftmesselement ist im Kraftfluss der Verspannung des Stacks, also in Reihe zu den verspannten Brennstoffzellen, einzubauen. Im Idealfall, das heißt bei homogener Verspannung des Brennstoffzellenstapels über die gesamte funktionale Fläche, reicht die Messung einer repräsentativen Zug- oder Druckkraft aus.For example, a tensile force measuring element and/or a compressive force measuring element can be used as a sensor to detect the force F or the change in force ΔF. The tensile force measuring element can be integrated into a tie rod for bracing the fuel cells. The pressure force measuring element can be a pressure-loaded load cell, for example, which is inserted in the area of an end plate of the fuel cell stack. The respective force-measuring element is to be installed in the power flow of the tensioning of the stack, i.e. in series with the tensioned fuel cells. In the ideal case, i.e. when the fuel cell stack is clamped homogeneously over the entire functional area, it is sufficient to measure a representative tensile or compressive force.

Da es einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der Längenänderung des Brennstoffzellenstapels und der im Verspannungsbereich des Brennstoffzellenstapels auftretenden Kraft gibt und die Abhängigkeiten des E-Moduls vom thermodynamischen Zustand aus der Literatur bekannt sind, kann aus der Kraft auf die Längenänderung bzw. direkt auf den Feuchtezustand geschlossen werden. Die Herausforderung besteht allerdings darin, Kraftänderungen im Bereich von ca. 100 N bei einem mittleren Kraftniveau von ca. 50 kN zu messen.Since there is a clear connection between the change in length of the fuel cell stack and the force occurring in the bracing area of the fuel cell stack and the dependencies of the E-modulus on the thermodynamic state are known from the literature, conclusions can be drawn about the change in length or directly about the moisture state from the force . However, the challenge is to measure force changes in the range of approx. 100 N at an average force level of approx. 50 kN.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

  • 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
  • 2 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
  • 3 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform und
  • 4 ein Wöhlerdiagramm.
Preferred embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:
  • 1 a schematic longitudinal section through a fuel cell stack according to the invention according to a first preferred embodiment,
  • 2 a schematic longitudinal section through a fuel cell stack according to the invention according to a second preferred embodiment,
  • 3 a schematic longitudinal section through a fuel cell stack according to the invention according to a third preferred embodiment and
  • 4 a W-N diagram.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

Der in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel 2 umfasst eine Vielzahl von Brennstoffzellen 1 in gestapelter Anordnung. Die Brennstoffzelle 1 sind zwischen zwei Endplatten 6 des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnet und in Verspannungsbereichen 5 mittels Zugstangen 13 miteinander verspannt. Der Brennstoffzellenstapel 2 ist in einem Gehäuse 11 angeordnet und über Befestigungsmittel 12 an einer Gehäusewand 10 befestigt („Festlager“), so dass der Brennstoffzellenstapel 2 zur gegenüberliegenden Gehäusewand 9 einen Abstand a einhält, der Längenänderungen des Brennstoffzellenstapels 2 ermöglicht. Bei einer Längenänderung ΔL des Brennstoffzellenstapels 2 ändert sich der Abstand a. Zur Erfassung der Längenänderung ΔL ist daher in diesem Bereich ein Sensor 3 angeordnet, mit dessen Hilfe der Abstand a gemessen werden kann. Da die Längenänderung ΔL in direktem Zusammenhang mit dem Feuchtzustand des Brennstoffzellenstapels 2 steht, kann bei bekannter Temperatur aus der Längenänderung ΔL die mittlere Membranfeuchte abgeleitet werden.The Indian 1 The fuel cell stack 2 according to the invention shown comprises a multiplicity of fuel cells 1 in a stacked arrangement. The fuel cell 1 is arranged between two end plates 6 of the fuel cell stack 2 and braced together in bracing areas 5 by means of tie rods 13 . The fuel cell stack 2 is arranged in a housing 11 and is fastened to a housing wall 10 by means of fastening means 12 (“fixed bearing”), so that the fuel cell stack 2 maintains a distance a from the opposite housing wall 9, which allows length changes of the fuel cell stack 2. When there is a change in length ΔL of the fuel cell stack 2, the distance a changes. In order to detect the change in length ΔL, a sensor 3 is therefore arranged in this area, with the aid of which the distance a can be measured. Since the change in length ΔL is directly related to the wet state of the fuel cell stack 2, the mean membrane moisture can be derived from the change in length ΔL if the temperature is known.

Bei einem Brennstoffzellenstapel 2 mit 400 Brennstoffzellen 1 und einer Membrandicke von 10 µm je Brennstoffzelle, hat das gesamte Membranmaterial, welches Dehnungen unterliegt, eine kumulierte Dicke von dMem,nom = 4 mm. Das Dehnungsverhalten der anderen Bestandteile des Brennstoffzellenstapels 2 aufgrund von Feuchteänderungen kann vernachlässigt werden. Ändert sich die Feuchte von 70 auf 90 % bei einer Temperatur von 65°C, quellen die Membranen in Dickenrichtung jeweils um ca. ε = 4 %. Daraus resultiert eine Längenänderung ΔL = dMem,nom*ε = 0,16 mm. Bei größeren Feuchtänderungen ändert sich die Länge entsprechend mehr. Gleiches gilt umgekehrt. Da Längenänderungen sehr präzise messbar sind (Genauigkeit < 5 µm), kann von einer Längenänderung auf den Feuchtezustand des Brennstoffzellenstapels 2 geschlossen werden.In a fuel cell stack 2 with 400 fuel cells 1 and a membrane thickness of 10 μm per fuel cell, the entire membrane material that is subject to expansion has a cumulative thickness of d Mem,nom =4 mm. The expansion behavior of the other components of the fuel cell stack 2 due to changes in humidity can be neglected. If the humidity changes from 70 to 90% at a temperature of 65°C, the membranes swell in the thickness direction by approx. ε = 4%. This results in a change in length ΔL = d Mem,nom *ε = 0.16 mm. With larger changes in humidity, the length changes correspondingly more. The same applies vice versa. Since changes in length can be measured very precisely (accuracy <5 μm), conclusions can be drawn about the moisture state of the fuel cell stack 2 from a change in length.

Das Quellverhalten entspricht nur näherungsweise dem Hookeschen Gesetz. Über eine entsprechende Kalibrierung können die Nichtlinearitäten des Zusammenhangs Quellen/Feuchteänderung und Längenänderung berücksichtigt werden.The swelling behavior corresponds only approximately to Hooke's law. The non-linearities of the relationship between sources/humidity change and length change can be taken into account via a corresponding calibration.

Durch dauerhafte Erfassung der Messdaten kann die Anzahl der Längenänderungen aufgezeichnet und daraus auf das Belastungskollektiv des Brennstoffzellenstapels 2 aufgrund von Temperatur- und Feuchte-indizierten Effekten geschlossen werden. Bei einer bestimmten Anzahl von Dehnungen ist die Belastbarkeit des Brennstoffzellenstapels 2 erreicht und es kommt zum Versagen von Designelementen, wie beispielsweise der Dichtungen.By permanently recording the measurement data, the number of changes in length can be recorded and the load collective of the fuel cell stack 2 can be inferred from this on the basis of temperature- and humidity-induced effects. The load capacity of the fuel cell stack 2 is reached after a certain number of elongations and design elements such as the seals fail.

Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf 4 verwiesen, welche ein Wöhlerdiagramm für die mechanische Schwingungswechselbeanspruchung zeigt. Jedes Bauteil erfährt ein Lastkollektiv, das sich aus verschiedenen Lasthöhen und deren kumulierte Anzahl zusammensetzt. Die Gesamtbelastbarkeit ist dabei limitiert. Im Grenzfall wird die Belastbarkeit beim ersten Schwingspiel durch eine sehr hohe Spannungsamplitude erreicht. Im Fall des Brennstoffzellenstapels 2 würde dies einem extrem trockenen Betrieb entsprechen, bei dem die Membran spontan aufgrund von zu hohem Widerstand und Hot-Spots thermisch versagt bzw. Risse bekommt. Das Gegenteil davon sind viele kleine Schwingspiele, die beinahe unendlich lange ertragen werden können. Dies wäre beim Brennstoffzellenstapel 2 bei kleinen Feuchteänderungen innerhalb eines Wohlfühlbereichs von beispielsweise 90 % relativer Feuchte der Fall, die so gut wie keinen Effekt auf die Alterung des Brennstoffzellenstapels 2 haben.In this context, an example is given 4 referenced, which shows a Wöhler diagram for the mechanical alternating vibration stress. Each component is subject to a collective load that is made up of different load heights and their cumulative number. The total load capacity is limited. In the borderline case, the load capacity is reached during the first load cycle by a very high stress amplitude. In the case of the fuel cell stack 2, this would correspond to extremely dry operation, in which the membrane spontaneously thermally fails or cracks due to excessive resistance and hot spots. The opposite of this are many small swinging games that can be endured almost indefinitely. This would be the case with the fuel cell stack 2 in the case of small changes in humidity within a comfortable range of, for example, 90% relative humidity, which have virtually no effect on the aging of the fuel cell stack 2 .

Der 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 2 zu entnehmen. Dieser unterscheidet sich von dem der 1 dadurch, dass zur Erfassung der Länge bzw. der Längenänderung ΔL zwei Sensoren 3 vorgesehen sind. Ein erster Sensor 3 ist in einem Lufteintrittsbereich 7 angeordnet. Ein zweiter Sensor 3 ist in einem Luftaustrittsbereich 8 angeordnet. Auf diese Weise kann eine inhomogene Feuchteverteilung detektiert werden. Denn bei homogener Feuchtverteilung fallen die Längenänderungen des Brennstoffzellenstapels 2 unterschiedlich stark aus. Ein Brennstoffzellenstapel 2, der beispielsweise ohne externe Befeuchtung, das heißt mit niedrigen Eintrittsfeuchten betrieben wird, neigt dazu, zu trocken betrieben zu werden und in Richtung des Austritts jedoch feucht zu laufen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass durch das anfallende Produktwasser die relative Feuchte vom Eintritt zum Austritt der Luft zunimmt. Gleiches gilt für die Feuchte der Membran. Die Längenänderung im Lufteintrittsbereich ist dann negativ, weil zu trocken, und im Austrittsbereich positiv, weil zu feucht. Durch die getrennte Messung von Längenänderungen am Lufteintrittsbereich am Luftaustrittsbereich kann somit direkt auf die Feuchteverteilung geschlossen werden.The 2 a further preferred embodiment of a fuel cell stack 2 according to the invention can be seen. This differs from that of 1 in that two sensors 3 are provided for detecting the length or the change in length ΔL. A first sensor 3 is arranged in an air inlet area 7 . A second sensor 3 is arranged in an air outlet area 8 . In this way, an inhomogeneous moisture distribution can be detected. Because with homogeneous moisture distribution, the length changes of the fuel cell stack 2 are different. A fuel cell stack 2 that is operated, for example, without external humidification, ie with low inlet humidity, tends to tro to be operated cken and to run wet in the direction of the outlet. This is due to the fact that the product water that accumulates increases the relative humidity from the inlet to the outlet of the air. The same applies to the humidity of the membrane. The change in length in the air inlet area is then negative because it is too dry and positive in the outlet area because it is too humid. The separate measurement of length changes in the air inlet area in the air outlet area can thus be directly used to determine the moisture distribution.

Ergibt die Auswertung, dass der Luftaustrittsbereich zu feucht ist, bietet es sich an, den Kathodendruck zu reduzieren und den Luftdurchsatz durch die Kathode zu erhöhen. Ergibt die Auswertung, dass der Lufteintrittsbereich zu trocken ist, kann ebenfalls eine Anpassung des Kathodendrucks und des Luftdurchsatzes vorgenommen werden. Je nach Systemtopologie kann, sofern vorhanden, auch der Grad der externen Befeuchtung angepasst werden.If the evaluation shows that the air outlet area is too humid, it makes sense to reduce the cathode pressure and increase the air flow through the cathode. If the evaluation shows that the air intake area is too dry, the cathode pressure and the air throughput can also be adjusted. Depending on the system topology, if available, the degree of external humidification can also be adjusted.

Inhomogenitäten bei der Feuchteverteilung können auch Folge eines zu lange andauernden Teillastbetriebs sein. Um Abhilfe zu schaffen, könnte der Lastpunkt hin zu höheren Stromdichten verändert werden.Inhomogeneities in the moisture distribution can also be the result of too long a partial load operation. To remedy this, the load point could be changed towards higher current densities.

3 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel 2, der anstelle der Sensoren 3 Sensoren 4 aufweist. Hierbei handelt es sich um Zugkraftmesselemente, die in die Zugstangen 13 zur Erfassung einer Kraftänderung ΔF integriert sind. Denn die Kraftänderung ΔF steht in direktem Zusammenhang mit der Längenänderung ΔL, so das mittelbar oder unmittelbar von der Kraftänderung ΔF auf den Feuchte Zustand des Brennstoffzellenstapels 2 geschlossen werden kann. 3 shows a further fuel cell stack 2 according to the invention, which has sensors 4 instead of sensors 3 . These are tensile force measuring elements that are integrated into the tie rods 13 for detecting a change in force ΔF. This is because the change in force ΔF is directly related to the change in length ΔL, so that the moisture state of the fuel cell stack 2 can be inferred directly or indirectly from the change in force ΔF.

Claims (10)

Verfahren zur Bestimmung der Membranfeuchte in den Brennstoffzellen (1) eines Brennstoffzellenstapels (2), bei dem mit Hilfe mindestens eines am oder im Brennstoffzellenstapel (2) angeordneten Sensors (3, 4) a) eine Länge (L) und/oder eine Längenänderung (ΔL) des Brennstoffzellenstapels (2) und/oder b) eine Kraft (F) und/oder eine Kraftänderung (ΔF) in einem Verspannungsbereich (5) der Brennstoffzellen (1) erfasst wird bzw. werden, der mindestens eine erfasste Wert mit vorab ermittelten Werten bei bekannter Membranfeuchte verglichen wird und hieraus die aktuelle Membranfeuchte abgeleitet wird.Method for determining the membrane moisture in the fuel cells (1) of a fuel cell stack (2), in which, with the aid of at least one sensor (3, 4) arranged on or in the fuel cell stack (2), a) a length (L) and/or a change in length (ΔL) of the fuel cell stack (2) and/or b) a force (F) and/or a change in force (ΔF) in a bracing area (5) of the fuel cells (1) is/are recorded, the at least one recorded value is compared with previously determined values when the membrane moisture is known, and from this the current Membrane moisture is derived. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Temperatur gemessen und bei der Bestimmung der Membranfeuchte berücksichtigt wird.procedure after claim 1 , characterized in that the current temperature is measured and taken into account when determining the membrane humidity. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L) und/oder die Längenänderung (ΔL) des Brennstoffzellenstapels (2) in einem Lufteintrittsbereich (7) und einem Luftaustrittsbereich (8) der Brennstoffzellen (1) erfasst wird bzw. werden, eine Differenz ermittelt und von der Differenz auf die Feuchteverteilung in den Brennstoffzellen (1) geschlossen wird.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the length (L) and/or the change in length (ΔL) of the fuel cell stack (2) in an air inlet area (7) and an air outlet area (8) of the fuel cell (1) is or are detected, a difference is determined and the moisture distribution in the fuel cells (1) is deduced from the difference. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Länge (L) und/oder der Längenänderung (ΔL) ein Abstand (a) des Brennstoffzellenstapels (2), insbesondere einer Endplatte (6) des Brennstoffzellenstapels (2), zu einer Gehäusewand (9) gemessen wird, die vorzugsweise einer Gehäusewand (10) gegenüberliegt, an welcher der Brennstoffzellenstapel (2) befestigt ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that for detecting the length (L) and / or the change in length (ΔL) a distance (a) of the fuel cell stack (2), in particular an end plate (6) of the fuel cell stack (2), to a housing wall (9) is measured, which is preferably opposite a housing wall (10) to which the fuel cell stack (2) is attached. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L) und/oder die Längenänderung (ΔL) mit Hilfe eines piezoelektrischen, potentiometrischen, induktiven oder kapazitiven Sensors (3), mit Hilfe eines als Dehnmessstreifen ausgebildeten Sensors (3) und/oder mittels Laser-Triangulation erfasst wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the length (L) and/or the change in length (ΔL) is measured using a piezoelectric, potentiometric, inductive or capacitive sensor (3), using a sensor (3) designed as a strain gauge and /or is detected by laser triangulation. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Kraft (F) und/oder der Kraftänderung (ΔF) ein Zugkraftmesselement als Sensor (4) verwendet wird, das in eine Zugstange (11) zum Verspannen der Brennstoffzellen (1) integriert ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a tensile force measuring element is used as a sensor (4) to detect the force (F) and/or the change in force (ΔF), which is integrated into a tension rod (11) for bracing the fuel cells (1) is integrated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Kraft (F) und/oder der Kraftänderung (ΔF) ein Druckkraftmesselement als Sensor (4) verwendet wird, das vorzugsweise im Bereich einer Endplatte (6) des Brennstoffzellenstapels (2) angeordnet ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a pressure force measuring element is used as a sensor (4) to detect the force (F) and/or the change in force (ΔF), which is preferably in the region of an end plate (6) of the fuel cell stack (2) is arranged. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren wiederholt durchgeführt wird und aus der Vielzahl von Messdaten die thermomechanische Belastung des Brennstoffzellenstapels (2) abgeleitet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the method is carried out repeatedly and the thermomechanical load on the fuel cell stack (2) is derived from the large number of measurement data. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der thermomechanischen Belastung des Brennstoffzellenstapels (2) die Betriebsstrategie angepasst wird, insbesondere - bei sich wiederholenden negativen Längenänderungen der Druck und/oder die Temperatur im Brennstoffzellenstapel (2) erhöht wird bzw. werden und - bei sich wiederholenden positiven Längenänderungen der Druck und/oder die Temperatur im Brennstoffzellenstapel (2) verringert wird bzw. werden und/der - durch Phlegmatisierung der Betriebsstrategie die Häufigkeit der thermomechanischen Belastung reduziert wird.procedure after claim 8 , characterized in that the operating strategy is adapted as a function of the thermomechanical load on the fuel cell stack (2), in particular - the pressure and/or the temperature in the fuel cell stack (2) is/are increased in the case of repetitive negative changes in length and - in the case of repetitive positive changes in length, the pressure and/or the temperature in the firing Material cell stack (2) is or are reduced and/or - the frequency of thermomechanical stress is reduced by phlegmatization of the operating strategy. Brennstoffzellenstapel (2) mit einer Vielzahl an Brennstoffzellen (1) und mindestens einem am oder im Brennstoffzellenstapel (2) angeordneten Sensor (3, 4) zur Erfassung a) einer Länge (L) und/oder einer Längenänderung (ΔL) des Brennstoffzellenstapels (2) und/oder b) einer Kraft (F) und/oder einer Kraftänderung (ΔF) in einem Verspannungsbereich (5) der Brennstoffzellen (1).Fuel cell stack (2) with a large number of fuel cells (1) and at least one sensor (3, 4) arranged on or in the fuel cell stack (2) for detection a) a length (L) and/or a change in length (ΔL) of the fuel cell stack (2) and/or b) a force (F) and/or a change in force (ΔF) in a bracing area (5) of the fuel cells (1).
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