EP4523272A1 - Brennstoffzelleneinheit, brennstoffzellenanordnung und verfahren - Google Patents

Brennstoffzelleneinheit, brennstoffzellenanordnung und verfahren

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Publication number
EP4523272A1
EP4523272A1 EP23725145.9A EP23725145A EP4523272A1 EP 4523272 A1 EP4523272 A1 EP 4523272A1 EP 23725145 A EP23725145 A EP 23725145A EP 4523272 A1 EP4523272 A1 EP 4523272A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel cell
cell unit
sensor element
carrier layer
optical waveguide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23725145.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nicolas MUCK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP4523272A1 publication Critical patent/EP4523272A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04365—Temperature; Ambient temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks

Definitions

  • Fuel cell unit fuel cell arrangement and method
  • the invention relates to a fuel cell unit for converting an energy source, in particular hydrogen, with an oxidizer, in particular oxygen and/or air, in a reaction region, in particular over an active surface, to generate electrical energy, the fuel cell unit having at least two electrodes and one electrode as functional components comprises electrolytes arranged between the electrodes.
  • the invention further includes a fuel cell arrangement and a method for operating a fuel cell unit.
  • Such a fuel cell unit is specified in US 2017/0 229 724 A1.
  • the fuel cell unit is provided with at least one optical fiber sensor element integrated therein for the fiber-optic determination of parameter values of the chemical composition and/or temperature of relevant functional components of the fuel cell unit, an optical fiber being inserted into a spacer disk with casing elements.
  • DE 10 2011 002 841 A1 also shows an electrochemical energy storage device, including a fuel cell unit, with a sensor element designed as an optical waveguide for spatially resolved temperature detection, for example. B. with Bragg gratings formed in the optical waveguide.
  • the service life and/or long-term stability of a fuel cell represent a challenge.
  • One way to assess the functionality of the fuel cell in mobile as well as stationary applications is to monitor the voltage of individual cells in a fuel cell stack. With this method, individual cells, cell groups and/or the entire stack are monitored using their voltage values. If these voltage values are in a previously defined, acceptable range, the stack is considered functional, otherwise it is considered defective. It is not possible to localize the defects using this method.
  • a method for spatially resolved temperature measurement on or in a fuel cell was developed.
  • a so-called “segmented bipolar plate” was equipped with a finely distributed network of sensors for the spatially resolved measurement of current density and/or temperatures of a fuel cell on the surface.
  • the method is comparatively complex.
  • the invention is based on the object of providing a fuel cell unit (as a single cell) and a fuel cell arrangement which enables simplified monitoring of the operation of a fuel cell unit, as well as a corresponding method for operating a fuel cell unit.
  • the task is solved for the fuel cell unit with the features of claim 1. It is provided that within the at least one fuel cell unit there is at least one sensor element designed as an optical waveguide for fiber-optic temperature determination and/or determination of a mechanical deformation. mung is arranged within the fuel cell unit.
  • a mechanical deformation e.g. B. Expansion, for example due to pressure loading, can arise in particular due to changes in the material load on the functional components present in the fuel cell unit, e.g. B. due to changed contact forces across the entire fuel cell arrangement (cell group and/or stack of individual cells).
  • the optical waveguide or the fiber must be positioned in such a way that it does not reduce the gas flow and gas distribution of the reactants hydrogen and air.
  • the reaction area is the area within the fuel cell unit in which the reaction gases (energy carriers, in particular hydrogen, and oxidizer, in particular air or the oxygen contained therein) react with one another.
  • the reaction gases energy carriers, in particular hydrogen, and oxidizer, in particular air or the oxygen contained therein
  • the two-dimensional (planar) extent of the reaction area within the fuel cell unit is referred to as the active area.
  • functional components refer to individual components of the fuel cell unit, which are assigned a specific function for the operation of the fuel cell unit.
  • the sensor element is particularly used in other measurement technology to complete a measurement system for measurement using fiber-optic sensors, e.g. B. a (light) source and / or a control evaluation unit, which are arranged in particular outside the fuel cell unit.
  • fiber-optic sensors e.g. B. a (light) source and / or a control evaluation unit, which are arranged in particular outside the fuel cell unit.
  • the optical waveguide in particular comprises or consists of quartz glass, the quartz glass z. B. forms a light wave-conducting core of the optical waveguide.
  • electrical signals are used for parameter detection, in the present case the temperature detection is realized using fiber lines through which light flows and reflects light.
  • the temperature detection is realized using fiber lines through which light flows and reflects light.
  • light rays emanating from a source are imitated into the optical fiber (as a fiber line).
  • the light rays are reflected in the optical waveguide and their properties, in particular frequency and/or amplitude, are changed by a temperature-related line expansion.
  • the changes in the incoming light rays are compared with the emitted light rays, which enables the temperature and/or strain to be determined.
  • this measurement technology offers other advantages, e.g. B. easy adjustment options to the geometric shape of the fuel cell unit, comparatively short setup times, no electromagnetic influences or other influences from electrical lines or fields that could distort the parameter measurement, compact design and high chemical and corrosion resistance of the sensor element.
  • the at least one sensor element for spatially resolved, in particular area-based temperature and/or strain determination in the fuel cell unit is arranged in a measuring plane, the surface extent of the measuring plane corresponding to at least a large part of the active area, at least 50% or more, preferably at least 80% or more, e.g. B. 100%.
  • the sensor element is preferably elongated, the length depending in particular on the spatial resolution, the size of the measuring plane (in particular corresponding to the size of a temperature and/or expansion field) and/or the number of sensor elements in the measuring plane.
  • the at least one sensor element is designed for measurement with a continuous measuring point sequence, the optical waveguide having a distributed or quasi-continuous measuring point arrangement. In this way, a large number of temperatures can be determined at different measuring points within the sensor element (of which only one or more is/are present in the fuel cell unit) using only one fiber in the core of the optical waveguide, not a fiber bundle.
  • the diameter of the fiber or core can, for. B.
  • the core is preferably surrounded by a jacket.
  • the outer diameter of the jacket can be, for example, between 50 pm and 400 pm, preferably between 100 pm and 200 pm.
  • a suitable measurement technique using a distributed measuring point sequence includes, for example, the design of the sensor element with a fiber Bragg grating.
  • a suitable measuring technique using a quasi-continuous measuring point sequence includes, for example, designing the sensor element to carry out Rayleigh-C-OFDR (coherent-optical frequency domain reflectometry).
  • the fuel cell unit is designed according to the principle of a polymer electrolyte (PEM) fuel cell (with a proton exchange membrane as an electrolyte) and/or further comprises as functional component(s) at least one, preferably two bipolar plate(s) (for supplying and /or separation of the ration gases, insulation, cooling, etc.) and/or at least one, preferably two gas diffusion component(s) (for further transport of the reaction gases to the electrodes while streamlining the flow).
  • the functional components are in particular as, e.g. B. flat, layers are formed and arranged in layers, with an electrode, a gas diffusion component and a bipolar plate as the outermost layer being arranged on each side of the electrolyte.
  • the electrolyte and the electrodes can be combined into one unit (MEA: membrane electrode unit).
  • the design of the fuel cell unit according to the invention is also possible with a different type of fuel cell (e.g. an alkaline fuel cell (AFC), direct methanol fuel cell (DMFC), etc.).
  • AFC alkaline fuel cell
  • DMFC direct methanol fuel cell
  • the at least one sensor element is expediently arranged taking into account the flow field within the fuel cell unit, in particular the sensor element (or ribs for fastening it) running at least in sections parallel to gas channels and/or walls delimiting the gas channels.
  • the gas channels are located for conducting a reaction gas, in particular on the bipolar plate(s), e.g. B. as part of a guide structure, and in this way contribute to the formation of the flow field.
  • webs comprising the walls
  • a negative influence on the flow field within the fuel cell unit can be kept as low as possible. This does not reduce the gas flow and gas distribution of the reactants hydrogen and air. It is particularly beneficial if the sensor element(s) and/or ribs are arranged at least partially overlapping the webs for their attachment.
  • the at least one sensor element is arranged on or in one and/or between two functional components of the fuel cell unit.
  • the corresponding functional component and/or a separate carrier layer can serve as a carrier structure for mechanical stabilization and/or vibration-proof fixation within the fuel cell unit, with the sensor element being attached to and/or in the functional component and/or to the carrier layer.
  • the fiber or optical fiber does not slip during assembly and, for example, B. from the jetties into the Flow channels of the bipolar plate are displaced.
  • a small amount of a hydrogen-resistant adhesive can be used.
  • the architecture and/or nature of the fuel cell unit can be at least largely retained for this purpose.
  • the gas diffusion component in particular includes a type of large-pored nonwoven material, e.g. B. comprising or consisting of metal, in particular steel.
  • the sensor element can e.g. B. be introduced into the gas diffusion component using laser or mechanical drilling methods, with z. B. Channels are milled and the sensor element(s) is/are inserted into the channels.
  • This training variant is particularly suitable if the electrodes and the electrolyte are arranged separately from one another.
  • the at least one sensor element is in one, e.g. B. arranged in a frame-like, separate carrier layer.
  • the carrier layer takes on the function of the carrier structure.
  • the sensor element or sensor elements are therefore arranged in a component that is separate from the remaining functional components. In this way, the sensor element can be fixed easily and in particular in a vibration-proof manner and/or safely implemented in the fuel cell unit with the least possible disruption to the flow field.
  • the carrier layer is particularly advantageous to implement if the carrier layer is arranged between the bipolar plate and the gas diffusion component (or one of the bipolar plates and the gas diffusion component arranged on the same side of the electrolyte).
  • the surface profile of the carrier layer preferably corresponds to a shape with which it can be arranged in a gas-tight manner between two functional components.
  • the carrier layer is flat educated. This arrangement has proven to be advantageous in preliminary studies, particularly in the presence of an MEA.
  • the carrier layer can also advantageously be arranged between the gas diffusion component and the electrode (or one of the gas diffusion components and the electrode arranged on the same side of the electrolyte).
  • the carrier layer has a, in particular rib-like, support structure in the measuring plane, in which the at least one sensor element is at least partially arranged (e.g. in a channel located in one of the ribs, e.g. inserted in a form-fitting manner) is.
  • the support structure comprises a plurality of ribs, in particular ribs that run parallel to one another (and preferably to the webs), with a section of the sensor element in particular running in preferably each rib. If only one sensor element is present, this can z. B. meandering, whereby it is laid with a bend from one rib of the support structure to the following rib of the support structure.
  • the ribs can be used for stabilization on at least one, e.g. B. two crossbars running transversely can be attached.
  • the carrier layer in the measuring plane is z. B. between the ribs and / or crossbars, and / or between the support structure and an edge region of the carrier layer, (by means of cavities) gas is formed continuously, without carrier layer material.
  • an outer contour, in particular an edge region, of the carrier layer preferably corresponds to an outer contour, in particular an edge region, of the bipolar plate, at least essentially, in particular in terms of course and/or surface extent.
  • the edge region of the bipolar plate and/or the edge region of the carrier layer surrounds/surrounds the conductive structure of the bipolar plate.
  • the carrier layer therefore has at least essentially the same profile as the bipolar plate. In this way, the carrier layer can be integrated into the layer structure of the fuel cell unit and fastened therein in a simple and stable manner.
  • the carrier layer is made of a heat-conducting material (e.g. with a thermal conductivity of more than 1 W/(mK)), e.g. B. an aluminum alloy, exists or includes such.
  • the carrier layer can advantageously consist of or include the same material as the bipolar plate(s).
  • the carrier layer should be sufficiently mechanically stable in order to stably fix the sensor element or the optical waveguide and/or so thin, for example between 0.5 mm and 10 mm, in order to influence the mass transport within the fuel cell unit as little as possible.
  • a 3D printing process and/or a roll bonding process can be used for production.
  • a sealing cord can serve as a sealant, which is designed to be correspondingly flattened, for example, in the entry area of the sensor element.
  • the sealant can in particular be arranged continuously in the edge region of the carrier layer and/or the bipolar plate. If necessary, a sealant can also be introduced between the carrier layer and another component, in particular the gas diffusion component.
  • the fuel cell arrangement comprises at least two fuel cell units, with at least one of the fuel cell units comprising a sensor element designed as an optical waveguide for fiber-optic temperature determination and/or determination of a mechanical deformation according to one of the preceding claims.
  • the fuel cell unit with a sensor element designed as an optical waveguide for fiber-optic temperature determination and/or determination of a mechanical deformation forms a fuel cell unit arranged close to the media inlet Z-outlet (reaction gases, cooling medium), in particular the first and/or last fuel cell unit after media inlet Z-. exits into the fuel cell assembly.
  • the highest temperature gradients usually occur near the media inlet and outlet.
  • another fuel cell unit can be monitored, for example in a central arrangement, with generally comparatively homogeneous temperature distribution during undisturbed operation.
  • an advantageous embodiment can consist of only one measuring plane being arranged within a fuel cell unit. The task is solved for the method with the features of claim 16.
  • FIG. 1 shows a fuel cell unit with an optical waveguide arranged on a gas diffusion component in a schematic exploded view
  • FIG. 2 shows a bipolar plate with gas channels and schematically shown optical fibers in a top view
  • FIG. 3 shows a part of the fuel cell unit according to FIG. 1 with the optical waveguide arranged on a gas diffusion component in a schematic view in cross section,
  • FIG. 4 shows a part of a further embodiment variant of the fuel cell unit, with the arrangement of the optical waveguide in a separate carrier layer, in a schematic view in cross section, Fig. 5 functional components of the fuel cell unit with arrangement of the optical waveguide in a separate carrier layer in a schematic exploded view and
  • Fig. 6 shows a possible embodiment of the carrier layer in a perspective view from above.
  • FIG. 1 shows a schematic exploded view of a fuel cell unit 10 for reacting reaction gases, in particular an energy source, in particular hydrogen, with an oxidizer, in particular air, to generate electrical energy.
  • the fuel cell unit 10 can in particular be part of a fuel cell arrangement with at least two fuel cell units 10, forming a so-called “fuel cell stack” (not shown here).
  • the fuel cell unit 10 is designed in particular as a polymer electrolyte fuel cell, which has a proton exchange membrane as the electrolyte 18.
  • the design according to the invention is also possible with a different type of fuel cell (e.g. an alkaline fuel cell (AFC), direct methanol fuel cell (DMFC), etc.).
  • the fuel cell unit 10 includes, in addition to the electrolyte 18, two bipolar plates 12, 12 ', two gas diffusion components 14, 14', an anode 16 and a cathode 20 as electrodes 15 and a catalyst 22 arranged on both sides of the electrolyte 18 .
  • the functional components 11 are arranged in layers.
  • the electrolyte 18 and the electrodes 15 can be combined into one unit (MEA: membrane electrode unit).
  • the bipolar plates 12, 12' are each arranged as an outermost layer on both sides of the fuel cell unit 10. Their function includes in particular the gas supply and separation (gas distribution) of the energy source or the oxidizer, and/or insulation tion and/or cooling of the fuel cell unit 10.
  • the bipolar plates 12, 12' each have guide structures 24, 24', which creates a flow field.
  • the surface extent of the guide structures 24, 24' corresponds approximately to an active surface 32, 32' of the fuel cell unit 10.
  • the two-dimensional extent of a reaction area (across a height x and a width y) of the fuel cell unit 10 is referred to as the active surface 32, 32' , in which the reaction gases react with each other.
  • the guide structures 24, 24 'each include, here z. B. gas channels 26, 26 'arranged in a meandering manner, which run between webs 28, 28' with walls to delimit the gas channels 26, 26'.
  • the guide structures 24, 24' are surrounded by edge regions 30, 30' of the bipolar plates 12, 12'.
  • further functional elements of the fuel cell unit 10 can be arranged in the edge regions 30, 30 ' (see FIG. 2), for example openings 34 for forming channels for the media line (cooling medium, reaction gas), fastening structures 36 and / or sealing areas 38.
  • the gas diffusion components 14, 14' serve to further transport the reaction gases (oxidizer and/or energy carrier) to the electrodes 15 while evening out the flow.
  • an elongated sensor element 40 is arranged within the fuel cell unit 10 and is routed from the outside into the interior of the fuel cell unit 10 via an inlet 48.
  • the sensor element 40 is designed as an optical waveguide 42 in the manner of a fiber for fiber-optic temperature determination and/or determination of a mechanical deformation due to material expansion within the fuel cell unit 10.
  • the optical waveguide 42 is illuminated with light beams 44 by means of a source (not shown here) arranged outside the fuel cell unit 10 different frequencies or wavelengths are applied.
  • the light rays are reflected on the walls of the optical waveguide 42 and their frequency and amplitude are changed by a temperature-related line expansion.
  • the light rays arriving at the source and/or their changes are compared with the emitted light rays and the temperature at defined measuring points is determined (e.g. from a change in frequency and/or amplitude and/or phase shift).
  • the sensor element 42 is particularly preferably designed for measurement with a continuous sequence of measuring points, with the optical waveguide 42 having a distributed or quasi-continuous measuring point arrangement.
  • a temperature determination can be carried out at a large number of measuring points using just one fiber as an optical waveguide 42, which is particularly beneficial for a compact design of the fuel cell unit.
  • the optical waveguide 42 includes in particular quartz glass, which z. B. forms a light wave-conducting core of the optical waveguide 42.
  • the diameter can e.g. B. between 5 pm and 15 pm, preferably between 6 pm and 8 pm.
  • the core is preferably surrounded by a jacket.
  • the outer diameter can be, for example, between 50 pm and 400 pm, preferably between 100 pm and 200 pm.
  • the sensor element 40 is arranged in a measuring plane 58 (see FIG. 6) for spatially resolved, surface temperature determination in the fuel cell unit 10.
  • the surface extent of the measuring plane 58 preferably corresponds to at least a large part of the active area 32, for example at least 50% or more, preferably at least 80% or more.
  • the spatial resolution in the measuring plane 58 is, for example, such that the distance between two measuring points is not is more than 2 cm, preferably not more than 1 cm, particularly preferably not more than 5 mm or 2 mm.
  • determining the temperature and/or determining the mechanical deformation within the fuel cell unit 10 By determining the temperature and/or determining the mechanical deformation within the fuel cell unit 10, a detailed detection of the actual state of the fuel cell unit 10 is possible, for example. B. can be used for diagnostic purposes and/or in product development. A spatially resolved inhomogeneity of the temperature can be due to disturbances such as: B. indicate insufficient media supply and/or production inaccuracies. Such disruptions can irreversibly damage the performance of the fuel cell unit 10 and even lead to cell and/or stack failure.
  • FIG. 2 shows a schematic example of an advantageous orientation of one or more sensor elements 40 within the fuel cell unit 10, relative to one of the bipolar plates 12.
  • six sensor elements 40 are inside, taking into account the flow field that is impressed on the bipolar plate 12 by means of the guide structure 24 the fuel cell unit 10 arranged.
  • the alignment of the sensor elements 40 is parallel to the gas channels 26 and/or the webs 28.
  • the sensor elements 40 are arranged at least partially overlapping with the webs 28 of the guide structures 24. In this way, the disruption of the flow field of the reaction gases can be minimized.
  • FIG. 3 shows a part of the fuel cell unit according to FIG. 1 with the sensor element 40 arranged on one of the gas diffusion components 14 in a schematic view in cross section. In this way, the gas diffusion component 14 acts as a support structure.
  • the sensor element 40 can z. B. be introduced into the gas diffusion component 14 by means of laser or mechanical drilling methods, with z. B. Channels are milled and the sensor element(s) 40 are inserted into the channels.
  • the carrier structure is formed by a separate carrier layer 50, in which the at least one sensor element 40 is arranged.
  • the carrier layer 50 is arranged between the bipolar plate 12 and the gas diffusion component 14.
  • the carrier layer 50 is preferably designed as a type of frame 52.
  • Fig. 5 shows schematically a measurement/evaluation technology 46 for arrangement outside the fuel cell unit 10.
  • an outer contour 57 corresponds to the carrier layer 50 or the frame 52 and / or an entire edge region 56 of the carrier layer 50 or the frame 52 surrounding the measuring plane 58 in the course and / or the area expansion at least essentially the outer contour 31 and / or the edge region 30 of the bipolar plate 12.
  • the profile of the carrier layer 50 corresponds at least essentially to that of the bipolar plate 12.
  • the carrier layer 50 also includes openings 55 in the edge region 56 to form channels for the media line and / or or fastening structures 59. In this way, the carrier layer 50 can be easily and stably integrated as a separate layer into the fuel cell unit 10, at least largely without affecting the operation of the fuel cell unit 10.
  • the carrier layer 50 can have a support structure 54, in which the at least one sensor element 40 is arranged at least in sections.
  • the support structure 54 has ribs 53 which run parallel to one another, with a section of the sensor element 40 being guided in each rib 53. At each end of the ribs 53, the sensor element 40 protrudes beyond them and is transferred via a bend into the next rib 30, so that a meandering course of the sensor element 40 or the optical waveguide 42 is created.
  • the ribs 53 are each attached with their longitudinal ends to a transverse web 51 which runs transversely, in particular at right angles to them.
  • the carrier layer 50 is formed in the measuring plane 58 between the ribs 53 and/or transverse webs 51, and/or between the support structure 54 and the edge region 56 of the carrier layer 50, gas-continuous, without carrier layer material.
  • the reaction gas can pass from the bipolar plate 12 into the gas diffusion component 14.
  • z. B several sensor elements 40 or optical waveguides 42 can be arranged or attached to the carrier layer 50. These are in particular parallel to one another, and preferably parallel to the The course of the gas channels 26 is clamped and fixed in a mechanically stable manner in the carrier layer 50 over the measuring plane 58.
  • At least one fuel cell unit 10 can be designed with at least one sensor element 40 for determining temperature and/or strain in the manner mentioned above.
  • a fuel cell unit 10 is particularly suitable for this purpose, in which a comparatively high temperature inhomogeneity naturally occurs due to its arrangement, for example in the first and/or last fuel cell unit 10 after media enters or exits the fuel cell arrangement.
  • a further fuel cell unit 10 can be designed in this way (if necessary additionally), for example a middle one, in which a comparatively uniform temperature distribution generally prevails during undisturbed operation.
  • the fuel cell unit 10 according to the invention and the method according to the invention result in detailed diagnostic options that are comparatively easy to implement. This makes it possible to initiate measures to maintain and/or restore the long-term stability of the fuel cell unit 10 and thus extend its service life even before a fuel cell unit and/or fuel cell arrangement malfunctions.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit (10) zur Umsetzung eines Energieträgers mit einem Oxidator in einem Reaktionsbereich, insbesondere über eine aktive Fläche (32), unter Erzeugung elektrischer Energie, wobei die Brennstoffzelleneinheit (10) als funktionale Komponenten (11) zumindest zwei Elektroden (15) und einen zwischen den Elektroden (15) angeordneten Elektrolyten (18) umfasst. Eine vereinfachte Überwachung des Betriebs der Brennstoffzelleneinheit (10) wird dadurch ermöglicht, dass innerhalb der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit (10) zumindest ein als Lichtwellenleiter (42) ausgebildetes Sensorelement (40) zur faseroptischen Temperaturbestimmung und/oder Bestimmung einer mechanischen Verformung innerhalb der Brennstoffzelleneinheit (10) angeordnet ist.

Description

Brennstoffzelleneinheit, Brennstoffzellenanordnung und Verfahren
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit zur Umsetzung eines Energieträgers, insbesondere Wasserstoff, mit einem Oxidator, insbesondere Sauerstoff und/oder Luft, in einem Reaktionsbereich, insbesondere über eine aktive Fläche, unter Erzeugung elektrischer Energie, wobei die Brennstoffzelleneinheit als funktionale Komponenten zumindest zwei Elektroden und einen zwischen den Elektroden angeordneten Elektrolyten umfasst. Die Erfindung umfasst ferner eine Brennstoffzellenanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit.
Eine derartige Brennstoffzelleneinheit ist in der US 2017 / 0 229 724 A1 angegeben. Die Brennstoffzelleneinheit ist mit mindestens einem darin integrierten Lichtwellenleiter-Sensorelement zur faseroptischen Bestimmung von Parameterwerten der chemischen Zusammensetzung und/oder Temperatur betreffender funktioneller Komponenten der Brennstoffzelleneinheit versehen, wobei ein Lichtwellenleiter in eine Distanzscheibe mit Hüllenelementen eingelegt ist. Die DE 10 2011 002 841 A1 zeigt ebenfalls einen elektrochemischen Energiespeicher, u. a. auch eine Brennstoffzelleneinheit, mit einem als Lichtwellenleiter ausgebildeten Sensorelement zur ortsaufgelösten Temperaturerfassung z. B. mit in dem Lichtwellenleiter ausgebildeten Bragg-Gittern.
Neben den Kosten stellen die Lebensdauer und/oder Langzeitstabilität einer Brennstoffzelle eine Herausforderung dar. Eine Möglichkeit zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle in mobilen, aber auch in stationären Anwendungen besteht in einer Spannungsüberwachung von Einzelzellen in einem Brennstoffzellenstapel (engl.: „Stack“). Bei dieser Methode werden Einzelzellen, Zellgruppen und/oder der gesamte Stack mittels ihrer Spannungswerte überwacht. Befinden sich diese Spannungswerte in einem zuvor definierten, akzeptablen Bereich, so gilt der Stack als funktionsfähig, anderenfalls als defekt. Eine Lokalisierung der Defekte ist mit dieser Methode nicht möglich.
Zur Lokalisierung wurde eine Methode zur ortsaufgelösten Temperaturmessung auf bzw. in einer Brennstoffzelle entwickelt. Dazu wurde eine sogenannte „segmentierte Bipolarplatte“ zur ortsaufgelösten Messung von Stromdichte und/oder Temperaturen einer Brennstoffzelle auf der Oberfläche mit einem fein verteilten Netz aus Sensoren ausgestattet. Die Methode ist vergleichsweise komplex.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelleneinheit (als Einzelzelle) und eine Brennstoffzellenanordnung bereitzustellen, die eine vereinfachte Überwachung des Betriebs einer Brennstoffzelleneinheit ermöglicht, sowie ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit.
Die Aufgabe wird für die Brennstoffzelleneinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass innerhalb der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit zumindest ein als Lichtwellenleiter ausgebildetes Sensorelement zur faseroptischen Temperaturbestimmung und/oder Bestimmung einer mechanischen Verfor- mung innerhalb der Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist. Eine mechanische Verformung, z. B. Dehnung etwa durch Druckbelastung, kann sich insbesondere aufgrund veränderter Materialbelastung auf die in der Brennstoffzelleneinheit vorhandenen funktionalen Komponenten ergeben, z. B. aufgrund veränderter Anpresskräfte über die gesamte Brennstoffzellenanordnung (Zellgruppe und/oder Stack (Stapel) aus Einzelzellen). Der Lichtwellenleiter bzw. die Faser sind so zu positionieren, dass sie den Gasfluss und die Gasverteilung der Edukte Wasserstoff und Luft nicht mindern.
Als Reaktionsbereich wird vorliegend der Bereich innerhalb der Brennstoffzelleneinheit bezeichnet, in dem die Reaktionsgase (Energieträger, insbesondere Wasserstoff, und Oxidator, insbesondere Luft bzw. darin enthaltener Sauerstoff) miteinander reagieren.
Als aktive Fläche wird vorliegend die zweidimensionale (flächige) Ausdehnung des Reaktionsbereiches innerhalb der Brennstoffzelleneinheit bezeichnet.
Als funktionale Komponenten werden vorliegend einzelne Komponenten der Brennstoffzelleneinheit bezeichnet, welchen für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit eine bestimmte Funktion zugeordnet ist.
Zu Messzwecken wird das Sensorelement insbesondere an weitere Messtechnik zur Komplettierung eines Messsystems zur Messung mittels faseroptischer Sensorik, z. B. eine (Licht-)Quelle und/oder eine Steuer-ZAuswerteeinheit, angeschlossen, welche insbesondere außerhalb der Brennstoffzelleneinheit angeordnet sind.
Der Lichtwellenleiter umfasst insbesondere Quarzglas oder besteht daraus, wobei das Quarzglas z. B. einen Lichtwellen leitenden Kem des Lichtwellenleiters bildet. Während gemäß der Lehre des Standes der Technik elektrische Signale für die Parametererfassung verwendet werden, wird vorliegend die Temperaturerfassung mittels Licht durchströmten und Licht reflektierenden Faserleitungen realisiert. Bei dieser Messtechnik werden Lichtstrahlen ausgehend von einer Quelle in den Lichtwellenleiter (als Faserleitung) imitiert. In dem Lichtwellenleiter werden die Lichtstrahlen reflektiert und durch eine temperaturbedingte Leitungsausdehnung in ihren Eigenschaften, insbesondere Frequenz und/oder Amplitude, verändert. Die Änderungen der wieder ankommenden Lichtstrahlen werden mit den ausgesendeten Lichtstrahlen verglichen, was die Temperatur- und/oder Dehnungsbestimmung ermöglicht.
Neben der vergleichsweise einfachen Integration des Sensorelements bietet diese Messtechnik weitere Vorteile, z. B. einfache Anpassungsmöglichkeiten an die geometrische Form der Brennstoffzelleneinheit, vergleichsweise kurze Rüstzeiten, keine elektromagnetischen Einflüsse oder sonstige Einflüsse durch elektrische Leitung bzw. Felder, welche die Parametermessung verfälschen könnten, kompaktes Design sowie eine hohe Chemikalien- und Korrosionsbeständigkeit des Sensorelements.
Detaillierte Diagnosemöglichkeiten ergeben sich, wenn das zumindest eine Sensorelement zur ortsaufgelösten, insbesondere flächigen Temperatur- und/oder Dehnungsbestimmung in der Brennstoffzelleneinheit in einer Messebene angeordnet ist, wobei die Flächenausdehnung der Messebene zumindest einem Großteil der aktiven Fläche entspricht, zumindest 50 % oder mehr, vorzugsweise zumindest 80 % oder mehr, z. B. 100 %. Dies erlaubt die Temperatur- und/oder Dehnungsbestimmung in einem ortsaufgelösten, sequenzierten Temperaturfeld und/oder Dehnungsfeld, wobei der Abstand der Messpunkte z. B. maximal 2 cm, z. B. maximal 1 cm, vorzugsweise maximal 5 mm beträgt. Das Sensorelement ist vorzugsweise länglich ausgebildet, wobei die Länge insbesondere von der Ortsauflösung, der Größe der Messebene (insbesondere entsprechend der Größe eines Temperatur- und/oder Dehnungsfeldes) und/oder der Anzahl der Sensorelemente in der Messebene abhängt. Für eine möglichst kompakte Anordnung des Sensorelements innerhalb der Brennstoffzelleneinheit ist das zumindest eine Sensorelement zur Messung mit kontinuierlicher Messpunktfolge ausgebildet ist, wobei der Lichtwellenleiter eine verteilte oder quasi-kontinuierliche Messpunktanordnung aufweist. Auf diese Weise kann mittels lediglich einer Faser im Kern des Lichtwellenleiters, kein Faserbündel, innerhalb des Sensorelements (von dem lediglich eines oder auch mehrere in der Brennstoffzelleneinheit vorhanden ist/sind) eine Vielzahl von Temperaturen, an verschiedenen Messpunkten, bestimmt werden. Der Durchmesser der Faser bzw. des Kems kann z. B. zwischen 5 pm und 15 pm, vorzugsweise zwischen 6 pm und 8 pm betragen. Zum Schutz vor äußeren Einflüssen (insbesondere Korrosionsschutz) ist der Kem vorzugsweise von einem Mantel umgeben. Der Außendurchmesser des Mantels kann beispielsweise zwischen 50 pm und 400 pm, vorzugsweise zwischen 100 pm und 200 pm betragen.
Zu einer geeigneten Messtechnik mittels verteilter Messpunktfolge zählt beispielsweise die Ausbildung des Sensorelementes mit Faser-Bragg-Gitter. Zu einer geeigneten Messtechnik mittels quasi-kontinuierlicher Messpunktfolge zählt beispielsweise die Ausbildung des Sensorelements zur Durchführung einer Rayleigh-C-OFDR (Coherent-optical frequency domain reflectometry).
In einer Ausbildungsvariante ist die Brennstoffzelleneinheit nach dem Prinzip einer Polymerelektrolyt(PEM)-Brennstoffzelle (mit einer Protonen-Austausch-Membran als Elektrolyt) ausgebildet und/oder umfasst als funktionale Komponente/n weiterhin zumindest eine, vorzugsweise zwei Bipolarplatte/n (zur Zufuhr und/oder Separation der Rationsgase, Isolierung, Kühlung etc.) und/oder zumindest eine, vorzugsweise zwei Gasdiffusions-Komponente/n (zum Weitertransport der Reaktionsgase an die Elektroden unter Strömungsvergleichmäßigung). Die funktionalen Komponenten sind insbesondere als, z. B. ebene, Schichten ausgebildet und in Schichten angeordnet, wobei auf jeder Seite des Elektrolyten jeweils eine Elektrode, eine Gasdiffusions- Komponente und als jeweils äußerste Schicht eine Bipolarplatte, angeordnet sind. Der Elektrolyt und die Elektroden können zu einer Einheit zusammengefasst sein (MEA: Membran-Elektroden-Einheit).
Möglich ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennstoffzelleneinheit auch bei einem anderen Brennstoffzellen-Typ (z. B. einer Alkalischen Brennstoffzelle (AFC), Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC) etc.).
Zweckmäßigerweise ist das zumindest eine Sensorelement unter Berücksichtigung des Strömungsfeldes innerhalb der Brennstoffzelleneinheit angeordnet, wobei insbesondere das Sensorelement (oder Rippen zu dessen Befestigung) zumindest abschnittsweise parallel zu Gaskanälen und/oder die Gaskanäle begrenzenden Wandungen verläuft. Die Gaskanäle befinden sich zur Leitung jeweils eines Reaktionsgases insbesondere an der/den Bipolarplatte/n, z. B. als Teil einer Leitstruktur, und tragen auf diese Weise zur Bildung des Strömungsfeldes bei. Zwischen den Gaskanälen können insbesondere (die Wandungen umfassende) Stege angeordnet sein. Auf diese Weise kann ein negativer Einfluss auf das Strömungsfeld innerhalb der Brennstoffzelleneinheit möglichst gering gehalten werden. Dadurch wird der Gasfluss und die Gasverteilung der Edukte Wasserstoff und Luft nicht gemindert. Besonders zuträglich ist dabei, wenn das oder die Sensorelement/e und/oder Rippen zu deren Befestigung zumindest teilweise mit den Stegen überlappend angeordnet sind.
In einer bevorzugten, besonders kompakten und einfach zu implementierenden Ausbildungsvariante ist das zumindest eine Sensorelement an oder in einer und/oder zwischen zwei funktionalen Komponente/n der Brennstoffzelleneinheit angeordnet. Dabei kann die entsprechende funktionale Komponente und/oder eine separate Trägerschicht als Trägerstruktur zur mechanischen Stabilisierung und/oder vibrationssicheren Fixierung innerhalb der Brennstoffzelleneinheit dienen, wobei das Sensorelement an und/oder in der funktionalen Komponente und/oder an der Trägerschicht befestigt ist. Wichtig ist, dass durch die Befestigung die Faser bzw. der Lichtwellenleiter auch beim Zusammenbau nicht verrutscht und z. B. von den Stegen in die Strömungskanäle der Bipolarplatte verlagert wird. Zur Fixierung kann auch z. B. eine geringe Menge eines gegen Wasserstoff resistenten Klebers verwendet werden. Vorteilhafterweise kann die Architektur und/oder Beschaffenheit der Brennstoffzelleneinheit hierzu zumindest weitgehend erhalten bleiben.
Dabei kann es insbesondere zweckmäßig sein, wenn das zumindest eine Sensorelement an und/oder in der/den Gasdiffusions-Komponente/n angeordnet ist. Die Gasdiffusions-Komponente umfasst insbesondere eine Art großporiges Vlies- Material, z. B. umfassend oder bestehend aus Metall, insbesondere aus Stahl. Das Sensorelement kann z. B. mittels Laser oder mechanischer Bohrverfahren in die Gasdiffusions-Komponente eingebracht sein, wobei in die Gasdiffusionskomponente z. B. Kanäle eingefräst und das bzw. die Sensorelement/e in die Kanäle eingelegt ist/sind. Diese Ausbildungsvariante eignet sich insbesondere, wenn die Elektroden und der Elektrolyt getrennt voneinander angeordnet sind.
In einer besonders bevorzugten Ausbildungsvariante ist das zumindest eine Sensorelement in einer, z. B. rahmenartigen, separaten Trägerschicht angeordnet. Die Trägerschicht übernimmt die Funktion der Trägerstruktur. Somit ist das Sensorelement bzw. sind die Sensorelemente in einer von den übrigen, funktionalen, Komponenten separaten Komponente angeordnet. Auf diese Weise kann das Sensorelement einfach und insbesondere vibrationssicher fixiert und/oder mit einer möglichst geringen Störung des Strömungsfeldes, sicher in der Brennstoffzelleneinheit implementiert werden.
Besonders günstig ist die Trägerschicht zu implementieren, wenn die Trägerschicht zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusions-Komponente (bzw. einer der Bipolarplatten und der gleichseitig des Elektrolyten angeordneten Gasdiffusions- Komponente) angeordnet ist. Die Trägerschicht entspricht vorzugsweise in ihrem Oberflächenverlauf einer Form, mit der sie gasdicht zwischen zwei funktionalen Komponenten angeordnet werden kann. Insbesondere ist die Trägerschicht eben ausgebildet. Diese Anordnung hat sich in Voruntersuchungen insbesondere bei Vorhandensein einer MEA als vorteilhaft herausgestellt. Je nach Architektur der Brennstoffzelleneinheit kann auch vorteilhaft die Trägerschicht zwischen der Gasdiffusions- Komponente und der Elektrode (bzw. einer der Gasdiffusions-Komponenten und der gleichseitig des Elektrolyten angeordneten Elektrode) angeordnet sein.
In einer bevorzugten Ausbildungsvariante weist die Trägerschicht in der Messebene eine, insbesondere rippenartige, Stützstruktur auf, in der das zumindest eine Sensorelement zumindest teilweise angeordnet (z. B. in einem jeweils in einer der Rippen befindlichen Kanal, z. B. formschlüssig, eingelegt) ist. Die Stützstruktur umfasst mehrere, insbesondere aus parallel zueinander (und vorzugsweise zu den Stegen) verlaufende, Rippen, wobei in vorzugsweise jeder Rippe insbesondere ein Abschnitt des Sensorelements verläuft. Bei Vorhandensein lediglich eines Sensorelements kann dieses z. B. mäandrierend verlaufend, wobei es mit jeweils einer Biegung von einer Rippe der Stützstruktur zu der folgenden Rippe der Stützstruktur verlegt ist. Die Rippen können zur Stabilisierung an zumindest einem, z. B. zwei, quer dazu verlaufenden Quersteg/en angebracht sein. Vorzugsweise ist die Trägerschicht in der Messebene (insbesondere abgesehen von der Stützstruktur) z. B. zwischen den Rippen und/oder Querstegen, und/oder zwischen der Stützstruktur und einem Randbereich der Trägerschicht, (mittels Hohlräumen) Gas durchgängig, ohne Trägerschichtmaterial, ausgebildet.
Alternativ oder zusätzlich ist das zumindest eine Sensorelement, insbesondere sind mehrere Sensorelemente, z. B. parallel zueinander, über die Messebene verlaufend in der Trägerschicht eingespannt. Die mechanische Stabilisierung des Sensorelements bzw. der Sensorelemente erfolgt über die mechanische Spannung. Vorzugsweise ist die Trägerschicht in der Messebene gasdurchlässig ausgebildet, insbesondere ohne Trägerschichtmaterial. Bei beiden Befestigungsarten ist die Befestigung zweckmäßigerweise derart, dass eine Längendehnung des Sensorelements bzw. der Sensorelemente zu Messzwecken in der Brennstoffzelleneinheit bzw. einer funktionalen Komponente möglich ist. Mittels dieser Anordnungen kann das bzw. können die Sensorelement/e mechanisch stabil, insbesondere vibrationssicher, in die Brennstoffzelleneinheit integriert werden, wobei sich zugleich möglichst wenig Trägerschicht-Matenal im Strömungspfad befindet, um den Stofftransport nicht zu limitieren.
Für eine einfache Einbringung der Trägerschicht in die Brennstoffzelleneinheit entspricht vorzugsweise eine Außenkontur, insbesondere ein Randbereich, der Trägerschicht einer Außenkontur, insbesondere einem Randbereich, der Bipolarplatte, zumindest im Wesentlichen, insbesondere hinsichtlich Verlauf und/oder Flächenausdehnung. Der Randbereich der Bipolarplatte und/oder der Randbereich der Trägerschicht umgibt/umgeben die Leitstruktur der Bipolarplatte. Somit weist die Trägerschicht zumindest im Wesentlichen das gleiche Profil auf wie die Bipolarplatte. So kann die Trägerschicht auf einfache und stabile Weise in den Schichtaufbau der Brennstoffzelleneinheit integriert und darin befestigt werden.
Für eine zuverlässige Temperaturmessung ist es vorteilhaft, wenn die Trägerschicht aus einem wärmeleitenden Material (z. B. mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 1 W/(mK)), z. B. einer Aluminiumlegierung, besteht oder ein solches umfasst. Insbesondere kann die Trägerschicht vorteilhaft aus dem gleichen Material bestehen oder ein solches umfassen wie die Bipolarplatte/n. Dabei soll die Trägerschicht ausreichend mechanisch stabil sein, um das Sensorelement bzw. den Lichtwellenleiter stabil zu fixieren und/oder derart dünn, beispielsweise zwischen 0,5 mm und 10 mm, um den Stofftransport innerhalb der Brennstoffzelleneinheit möglichst wenig zu beeinflussen. Je nach Material bietet sich zur Herstellung beispielsweise ein 3-D- Druckverfahren und/oder ein Rollbond-Verfahren an. Zu einer ungestörten Funktionalität der Brennstoffzelleneinheit trägt bei, wenn zwischen der Trägerschicht und zumindest einer der funktionalen Komponenten der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere der Bipolarplatte, zumindest ein Dichtmittel eingebracht ist, durch welches das zumindest eine Sensorelement gasdicht in das Innere der Brennstoffzelleneinheit geführt ist. Als Dichtmittel kann insbesondere eine Dichtschnur dienen, die beispielsweise im Eintrittsbereich des Sensorelements entsprechend abgeflacht ausgebildet ist. Das Dichtmittel kann insbesondere um laufend im Randbereich der Trägerschicht und/oder der Bipolarplatte angeordnet sein. Erforderlichenfalls kann auch zwischen der Trägerschicht und einer anderen Komponente, insbesondere der Gasdiffusions-Komponente, ein Dichtmittel eingebracht sein.
Die Aufgabe wird für die Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass die Brennstoffzellenanordnung zumindest zwei Brennstoffzelleneinheiten umfasst, wobei zumindest eine der Brennstoffzelleneinheiten ein als Lichtwellenleiter ausgebildetes Sensorelement zur faseroptischen Temperaturbestimmung und/oder Bestimmung einer mechanischen Verformung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
In einer kosteneffizienten Ausbildung der Brennstoffzellenanordnung bildet die Brennstoffzelleneinheit mit einem als Lichtwellenleiter ausgebildeten Sensorelement zur faseroptischen Temperaturbestimmung und/oder Bestimmung einer mechanischen Verformung eine nahe am MedieneintrittZ-austritt (Reaktionsgase, Kühlmedium) angeordnete Brennstoffzelleneinheit, insbesondere die erste und/oder letzte Brennstoffzelleneinheit nach MedieneintrittZ-austritt in die Brennstoffzellenanordnung. Nahe des MedieneintrittsZ-austritts ergeben sich in der Regel die höchsten Temperaturgradienten. Weiterhin kann eine weitere Brennstoffzelleneinheit, beispielsweise in mittlerer Anordnung, mit im ungestörten Betrieb in der Regel vergleichsweise homogener Temperaturverteilung, überwacht werden. Aus wirtschaftlichen Gründen kann eine vorteilhafte Ausgestaltung darin bestehen, dass lediglich eine Messebene innerhalb einer Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist. Die Aufgabe wird für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Bei dem Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit nach einer der vorstehend beschriebenen Ausbildungsvananten wird zumindest eine Temperatur, vorzugsweise ein örtlich zweidimensionales Temperaturfeld, und/oder eine mechanische Verformung innerhalb der Brennstoffzelleneinheit faseroptisch bestimmt. Nähere vorteilhafte Ausführungsvariante des Verfahrens sind in Zusammenhang mit der Beschreibung der Brennstoffzelleneinheit und/oder der Brennstoffzellenanordnung sinngemäß angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Brennstoffzelleneinheit mit einem an einer Gasdiffusions- Komponente angeordneten Lichtwellenleiter in schematischer Explosionsdarstellung,
Fig. 2 eine Bipolarplatte mit Gaskanälen und schematisch dargestellten Lichtwel- lenleitern in Draufsicht,
Fig. 3 einen Teil der Brennstoffzelleneinheit gemäß Fig. 1 mit dem an einer Gasdiffusionskomponente angeordneten Lichtwellenleiter in schematischer Ansicht im Querschnitt,
Fig. 4 einen Teil einer weiteren Ausführungsvariante der Brennstoffzelleneinheit, mit Anordnung des Lichtwellenleiters in einer separaten Trägerschicht, in schematischer Ansicht im Querschnitt, Fig. 5 funktionale Komponenten der Brennstoffzelleneinheit mit Anordnung des Lichtwellenleiters in einer separaten Trägerschicht in schematischer Explosionsdarstellung und
Fig. 6 ein mögliches Ausführungsbeispiel der Trägerschicht in perspektivischer Ansicht von oben.
Fig. 1 zeigt in schematischer Explosionsdarstellung eine Brennstoffzelleneinheit 10 zur Umsetzung von Reaktionsgasen, im Einzelnen eines Energieträgers, insbesondere Wasserstoff, mit einem Oxidator, insbesondere Luft, unter Erzeugung elektrischer Energie. Die Brennstoffzelleneinheit 10 kann insbesondere Teil einer Brennstoffzellenanordnung mit zumindest zwei Brennstoffzelleneinheiten 10 unter Bildung eines sogenannten „Brennstoffzellen-Stacks“ sein (hier nicht gezeigt).
Die Brennstoffzelleneinheit 10 ist insbesondere als Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle ausgebildet, die als Elektrolyt 18 eine Protonen-Austausch-Membran aufweist. Möglich ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung auch bei einem anderen Brennstoffzel- len-Typ (z. B. einer Alkalischen Brennstoffzelle (AFC), Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC) etc.). Als weitere funktionale Komponenten 11 umfasst die Brennstoffzelleneinheit 10, neben dem Elektrolyt 18, zwei Bipolarplatten 12, 12‘, zwei Gasdiffusions- Komponenten 14, 14‘, eine Anode 16 und eine Katode 20 als Elektroden 15 und einen beidseitig des Elektrolyten 18 angeordneten Katalysator 22.
Die funktionalen Komponenten 11 sind in Schichten angeordnet. Der Elektrolyt 18 und die Elektroden 15 können zu einer Einheit zusammengefasst sein (MEA: Mem- bran-Elektroden-Einheit).
Die Bipolarplatten 12, 12' sind jeweils als äußerste Schicht beidseitig der Brennstoffzelleneinheit 10 angeordnet. Ihre Funktion umfasst insbesondere die Gaszufuhr und -separation (Gasverteilung) des Energieträgers bzw. des Oxidators, und/oder Isolie- rung und/oder Kühlung der Brennstoffzelleneinheit 10. Zur Gasverteilung innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 10 weisen die Bipolarplatten 12, 12' jeweils Leitstrukturen 24, 24' auf, wodurch ein Strömungsfeld entsteht. Die Leitstrukturen 24, 24' entsprechen in ihrer Flächenausdehnung in etwa einer aktiven Fläche 32, 32' der Brennstoffzelleneinheit 10. Als aktive Fläche 32, 32' wird die zweidimensionale Ausdehnung eines Reaktionsbereiches (über eine Höhe x und eine Breite y) der Brennstoffzelleneinheit 10 bezeichnet, in dem die Reaktionsgase miteinander reagieren. Die Leitstrukturen 24, 24' umfassen jeweils, hier z. B. mäandrierend angeordnete, Gaskanäle 26, 26‘, die zwischen Stegen 28, 28' mit Wandungen zur Eingrenzung der Gaskanäle 26, 26' verlaufen.
Die Leitstrukturen 24, 24' sind von Randbereichen 30, 30' der Bipolarplatten 12, 12' umgeben. In den Randbereichen 30, 30' können insbesondere weitere funktionale Elemente der Brennstoffzelleneinheit 10 angeordnet sein (vgl. Fig. 2), beispielsweise Öffnungen 34 zur Bildung von Kanälen zur Medienleitung (Kühlmedium, Reaktionsgas), Befestigungsstrukturen 36 und/oder Dichtbereiche 38.
Die Gasdiffusions-Komponenten 14, 14' dienen dem Weitertransport der Reaktionsgase (Oxidator und/oder Energieträger) an die Elektroden 15 unter Strömungsvergleichmäßigung.
Wie Fig. 1 schematisch zeigt, ist innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 10 ein längliches Sensorelement 40 angeordnet, das über einen Eintritt 48 von außen in das Innere der Brennstoffzelleneinheit 10 verlegt ist. Das Sensorelement 40 ist zur faseroptischen Temperaturbestimmung und/oder Bestimmung einer mechanischen Verformung, aufgrund Materialdehnung innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 10, als Lichtwellenleiter 42 in Art einer Faser ausgebildet.
Zu Messzwecken wird der Lichtwellenleiter 42 mittels einer außerhalb der Brennstoffzelleneinheit 10 angeordneten Quelle (hier nicht gezeigt) mit Lichtstrahlen 44 unterschiedlicher Frequenzen bzw. Wellenlängen beaufschlagt. Die Lichtstrahlen werden an den Wänden des Lichtwellenleiters 42 reflektiert und durch eine temperaturbedingte Leitungsausdehnung in ihrer Frequenz und Amplitude verändert. Die an der Quelle wieder ankommenden Lichtstrahlen und/oder deren Änderungen werden mit den ausgesendeten Lichtstrahlen verglichen und darüber (z. B. aus Änderung der Frequenz und/oder der Amplitude und/oder der Phasenverschiebung) die Temperatur an definierten Messpunkten bestimmt.
Besonders bevorzugt ist das Sensorelement 42 zur Messung mit kontinuierlicher Messpunktfolge ausgebildet, wobei der Lichtwellenleiter 42 eine verteilte oder quasikontinuierliche Messpunktanordnung aufweist. So kann mittels lediglich einer Faser als Lichtwellenleiter 42 eine Temperaturbestimmung an einer Vielzahl von Messpunkten erfolgen, was einem kompakten Aufbau der Brennstoffzelleneinheit besonders zuträglich ist.
Der Lichtwellenleiter 42 umfasst insbesondere Quarzglas, welches z. B. einen Lichtwellen leitenden Kern des Lichtwellenleiters 42 bildet. Der Durchmesser kann z. B. zwischen 5 pm und 15 pm, vorzugsweise zwischen 6 pm und 8 pm betragen.
Zum Schutz vor äußeren Einflüssen (insbesondere Korrosionsschutz) ist der Kern vorzugsweise von einem Mantel umgeben. Der Außendurchmesser kann beispielsweise zwischen 50 pm und 400 pm, vorzugsweise zwischen 100 pm und 200 pm betragen.
Beispielhaft ist das Sensorelement 40 zur ortsaufgelösten, flächigen Temperaturbestimmung in der Brennstoffzelleneinheit 10 in einer Messebene 58 (vgl. Fig. 6) angeordnet. Die Flächenausdehnung der Messebene 58 entspricht vorzugsweise zumindest einem Großteil der aktiven Fläche 32, beispielsweise zumindest 50 % oder mehr, vorzugsweise zumindest 80 % oder mehr. Die Ortsauflösung in der Messebene 58 ist beispielsweise derart, dass der Abstand zwischen zwei Messpunkten nicht mehr als 2 cm, vorzugsweise nicht mehr als 1 cm, besonders bevorzugt nicht mehr als 5 mm oder 2 mm beträgt.
Mittels der Temperaturbestimmung und/oder Bestimmung der mechanischen Verformung innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 10 ist eine detaillierte Ist- Zustandserfassung der Brennstoffzelleneinheit 10 möglich, die z. B. zu Diagnosezwecken und/oder in der Produktentwicklung eingesetzt werden kann. Dabei kann eine ortsaufgelöste Inhomogenität der Temperatur auf Störungen wie z. B. eine unzureichende Medienversorgung und/oder Produktionsungenauigkeiten hinweisen. Derartige Störungen können die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelleneinheit 10 irreversibel schädigen und bis zu einem Zell- und/oder Stackausfall führen.
Fig. 2 zeigt schematisch beispielhaft eine vorteilhafte Ausrichtung eines bzw. mehrerer Sensorelemente 40 innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 10, relativ zu einer der Bipolarplatten 12. Dabei sind beispielhaft sechs Sensorelemente 40 unter Berücksichtigung des Strömungsfeldes, das mittels der Leitstruktur 24 der Bipolarplatte 12 aufgeprägt wird, innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 10 angeordnet. Die Ausrichtung der Sensorelemente 40 ist parallel zu den Gaskanälen 26 und/oder den Stegen 28. Die Sensorelemente 40 sind zumindest teilweise überlappend mit den Stegen 28 der Leitstrukturen 24 angeordnet. So kann die Störung des Strömungsfeldes der Reaktionsgase minimiert werden.
Um die Messgenauigkeit nicht zu verfälschen, ist es notwendig, die Sensorelemente 40 bzw. Lichtwellenleiter 42 fest und insbesondere vibrationssicher in der Brennstoffzelleneinheit 10 zu fixieren, wobei die für die Messung erforderliche Längsausdehnung ermöglicht wird. Zu diesem Zweck dient insbesondere eine mechanische Stabilisierung des Sensorelements 40 mittels einer Trägerstruktur. Dabei kann das Sensorelement 40 (oder auch mehrere Sensorelemente 40) an oder in einer funktionalen Komponente 11 und/oder zwischen zwei funktionalen Komponenten 11 der Brennstoffzelleneinheit 10 angeordnet sein. Als eine geeignete Befestigungsmöglichkeit zeigt Fig. 3 einen Teil der Brennstoffzelleneinheit gemäß Fig. 1 mit dem an einer der Gasdiffusionskomponenten 14 angeordneten Sensorelement 40 in schematischer Ansicht im Querschnitt. Auf diese Weise wirkt die Gasdiffusionskomponente 14 als Trägerstruktur. Dabei kann das Sensorelement 40 z. B. mittels Laser oder mechanischer Bohrverfahren in die Gasdiffusionskomponente 14 eingebracht sein, wobei in die Gasdiffusionskomponente 14 z. B. Kanäle eingefräst und das bzw. die Sensorelement/e 40 in die Kanäle eingelegt sind.
Möglich ist auch eine Befestigung an der Bipolarplatte 12.
Fig. 4 zeigt eine weitere, besonders bevorzugte Variante, bei der das Sensorelement 40 oder mehrere Sensorelemente 40 zwischen zwei funktionalen Komponenten 11 angeordnet ist. Gemäß Fig. 4 ist die Trägerstruktur durch eine separate Trägerschicht 50 gebildet, in der das zumindest eine Sensorelement 40 angeordnet ist. Die Trägerschicht 50 ist in dem Ausführungsbeispiel zwischen der Bipolarplatte 12 und der Gasdiffusions-Komponente 14 angeordnet.
Fig. 5 zeigt die Anordnung des Sensorelements 40 bzw. des Lichtwellenleiters 42 in der Trägerschicht 50 in einer Explosionsdarstellung mit funktionalen Komponenten 11 der Brennstoffzelleneinheit 10. Vorzugsweise ist die Trägerschicht 50 als eine Art Rahmen 52 ausgebildet.
Weiterhin zeigt Fig. 5 schematisch eine Mess-/ Auswertetechnik 46, zur Anordnung außerhalb der Brennstoffzellenheit 10.
Fig. 6 zeigt genauer ein Ausführungsbeispiel der Trägerschicht 50. Vorzugsweise entspricht dabei eine Außenkontur 57 der Trägerschicht 50 bzw. des Rahmens 52 und/oder ein gesamter, die Messebene 58 umgebender Randbereich 56 der Trägerschicht 50 bzw. des Rahmens 52 im Verlauf und/oder der Flächenausdehnung zu- mindest im Wesentlichen der Außenkontur 31 und/oder dem Randbereich 30 der Bipolarplatte 12. So entspricht das Profil der Trägerschicht 50 zumindest im Wesentlichen dem der Bipolarplatte 12. Beispielsweise umfasst die Trägerschicht 50 im Randbereich 56 ebenfalls Öffnungen 55 zur Bildung von Kanälen zur Medienleitung und/oder Befestigungsstrukturen 59. Auf diese Weise kann die Trägerschicht 50 einfach und stabil als separate Schicht in die Brennstoffzelleneinheit 10 integriert werden, zumindest weitgehend ohne den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 10 zu beeinträchtigen.
Wie Fig. 6 weiter zeigt, kann die Trägerschicht 50 zur mechanischen Stabilisierung des Sensorelements 40 in der Messebene 58 eine Stützstruktur 54 aufweisen, in der das zumindest eine Sensorelement 40 zumindest abschnittsweise angeordnet ist.
Bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Stützstruktur 54 parallel zueinander verlaufende Rippen 53 auf, wobei in jeder Rippe 53 ein Abschnitt des Sensorelements 40 geführt ist. Jeweils am Ende der Rippen 53 ragt das Sensorelement 40 über selbige hinaus und ist über eine Biegung in die nächste Rippe 30 übergeleitet, so dass ein mäandrierender Verlauf des Sensorelements 40 bzw. des Lichtwellenleiters 42 entsteht. Die Rippen 53 sind mit ihren längsseitigen Enden an jeweils einem quer, insbesondere rechtwinklig zu ihnen verlaufenden, Quersteg 51 angebracht. Abgesehen von der Stützstruktur 54 ist die Trägerschicht 50 in der Messebene 58 zwischen den Rippen 53 und/oder Querstegen 51 , und/oder zwischen der Stützstruktur 54 und dem Randbereich 56 der Trägerschicht 50, Gas durchgängig, ohne Trägerschichtmatenal, ausgebildet. Insbesondere sind dort Hohlräume vorhanden, so dass das Reaktionsgas von der Bipolarplatte 12 in die Gasdiffusions- Komponente 14 gelangen kann.
In einer anderen, hier nicht gezeigten Variante können z. B. mehrere Sensorelemente 40 bzw. Lichtwellenleiter 42 an der Trägerschicht 50 angeordnet bzw. befestigt sein. Diese sind insbesondere parallel zueinander, und vorzugsweise parallel zu dem Verlauf der Gaskanäle 26 eingespannt und über die Messebene 58 verlaufend in der Trägerschicht 50 mechanisch stabil fixiert.
Innerhalb einer Brennstoffzellenanordnung mit mehreren Brennstoffzelleneinheiten 10 (hier nicht gezeigt) kann beispielsweise zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 10 mit zumindest einem Sensorelement 40 zur Temperatur- und/oder Dehnungsbestimmung in oben genannter Art ausgebildet sein. Dazu eignet sich insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 10, in der aufgrund ihrer Anordnung naturgemäß eine vergleichsweise hohe Temperatur-Inhomogenität auftritt, beispielsweise in der ersten und/oder letzten Brennstoffzelleneinheit 10 nach Medieneintritt bzw. -austritt in die Brennstoffzellenanordnung.
Insbesondere zu Kontrollzwecken kann (ggf. zusätzlich) eine weitere Brennstoffzelleneinheit 10 in dieser Art ausgebildet sein, beispielsweise eine mittlere, in welcher in der Regel, im ungestörten Betrieb, eine vergleichsweise gleichmäßige Temperaturverteilung herrscht.
Zusammenfassend ergeben sich mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 10 und dem erfindungsgemäßen Verfahren vergleichsweise einfach zu implementierende, detaillierte Diagnosemöglichkeiten. Dies erlaubt bereits vor Funktionsstörung einer Brennstoffzelleneinheit und/oder Brennstoffzellenanordnung, Maßnahmen zum Erhalt und/oder zur Wiederherstellung der Langzeitstabilität der Brennstoffzelleneinheit 10 einzuleiten und somit deren Lebensdauer zu verlängern.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzelleneinheit (10) zur Umsetzung eines Energieträgers mit einem Oxidator in einem Reaktionsbereich, insbesondere über eine aktive Fläche (32), unter Erzeugung elektrischer Energie, wobei die Brennstoffzelleneinheit (10) als funktionale Komponenten (11) zumindest zwei Elektroden (15) und einen zwischen den Elektroden (15) angeordneten Elektrolyten (18) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der zumindest einen Brennstoffzelleneinheit (10) zumindest ein als Lichtwellenleiter (42) ausgebildetes Sensorelement (40) zur faseroptischen Temperaturbestimmung und/oder Bestimmung einer mechanischen Verformung innerhalb der Brennstoffzelleneinheit (10) angeordnet ist.
2. Brennstoffzelleneinheit (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Sensorelement (40) zur ortsaufgelösten, insbesondere flächigen Temperatur- und/oder Dehnungsbestimmung in der Brennstoffzelleneinheit (10) in einer Messebene (58) angeordnet ist, wobei die Flächenausdehnung der Messebene (58) zumindest einem Großteil der aktiven Fläche (32) entspricht, zumindest 50% oder mehr, vorzugsweise zumindest 80% oder mehr, z. B. 100%.
3. Brennstoffzelleneinheit (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Sensorelement (40) zur Messung mit kontinuierlicher Messpunktfolge ausgebildet ist, wobei der Lichtwellenleiter (42) eine verteilte oder quasi-kontinuierliche Messpunktanordnung aufweist. Brennstoffzelleneinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (10) nach dem Prinzip einer Polymerelektrolyt- Brennstoffzelle ausgebildet ist und/oder als funktionale/n Komponente/n weiterhin zumindest eine, vorzugsweise zwei Bipolarplatte/n (12, 12‘) und/oder zumindest eine, vorzugsweise zwei Gasdiffusions-Komponente/n (14, 14‘) umfasst. Brennstoffzelleneinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Sensorelement (40) unter Berücksichtigung eines Strömungsfeldes innerhalb der Brennstoffzelleneinheit (10) angeordnet ist, wobei insbesondere das Sensorelement (40) zumindest abschnittsweise parallel zu Gaskanälen (26) und/oder die Gaskanäle (26) begrenzenden Wandungen verläuft. Brennstoffzelleneinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Sensorelement (40) an einer und/oder zwischen zwei funktionalen Komponente/n der Brennstoffzelleneinheit (10) angeordnet ist. Brennstoffzelleneinheit (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Sensorelement (40) an und/oder in der/den Gasdiffu- sions-Komponente/n (14, 14‘) angeordnet ist. Brennstoffzelleneinheit (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Sensorelement (40) in einer separaten Trägerschicht (50) angeordnet ist. Brennstoffzelleneinheit (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (50) zwischen der Bipolarplatte (12, 12‘) und der Gasdiffusions-Komponente (14, 14‘) und/oder zwischen der Gasdiffusions- Komponente (14, 14‘) und der Elektrode (15, 15‘) angeordnet ist. Brennstoffzelleneinheit (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (50) in der Messebene (58) eine, insbesondere rippenartige, Stützstruktur (54) aufweist, in der das zumindest eine Sensorelement (40) zumindest teilweise angeordnet ist, und/oder dass das zumindest eine Sensorelement (40), insbesondere mehrere Sensorelemente (40), z. B. parallel zueinander, über die Messebene (58) verlaufend in der Trägerschicht eingespannt sind. Brennstoffzelleneinheit (10) nach Anspruch einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenkontur (57), insbesondere ein Randbereich (56), der Trägerschicht (50) einer Außenkontur (31), insbesondere einem Randbereich (30), der Bipolarplatte (12, 12‘) zumindest im Wesentlichen entspricht. Brennstoffzelleneinheit (10) nach Anspruch 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (50) aus einem wärmeleitenden Material, z. B. einer Aluminiumlegierung, besteht oder ein solches umfasst. Brennstoffzelleneinheit (10) nach Anspruch einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Trägerschicht (50) und zumindest einer der funktionalen Komponenten der Brennstoffzelleneinheit (10), insbesondere der Bipolarplatte (12, 12‘), zumindest ein Dichtmittel eingebracht ist, durch welches das zumindest eine Sensorelement (40) gasdicht in das Innere der Brennstoffzelleneinheit (10) geführt ist. Brennstoffzellenanordnung mit zumindest zwei Brennstoffzelleneinheiten (10), wobei zumindest eine der Brennstoffzelleneinheiten (10) ein als Lichtwellenleiter (42) ausgebildetes Sensorelement (40) zur faseroptischen Temperaturbestimmung und/oder Bestimmung einer mechanischen Verformung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 14, wobei die Brennstoffzelleneinheit (10) mit einem als Lichtwellenleiter (42) ausgebildeten Sensorelement (40) zur faseroptischen Temperaturbestimmung und/oder Bestimmung einer mechanischen Verformung die erste und/oder letzte Brennstoffzelleneinheit (10) nach Medieneintritt/-austritt in die Brennstoffzellenanordnung bildet. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem zumindest eine Temperatur, vorzugsweise ein örtlich 2-dimensionales Temperaturfeld, und/oder eine mechanische Verformung, vorzugsweise ein Dehnungsfeld, innerhalb der Brennstoffzelleneinheit (10) faseroptisch bestimmt wird.
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