DaimlerChrysler AG
Anordnung und Verfahren zur optischen Messung von Wasser in einer Membran-Elektroden-Anordnung
Die Erfindung betrifft des technische Gebiet der Membran- Elektroden-Anordnungen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Anordnung zur optischen Messung von Wasser in einer Membran-Elektroden-Anordnung sowie ein Verfahren zur Messung von Wasser in einer Membran-Elektroden-Anordnung.
Im Stand der Technik wird zur Bestimmung der Feuchte einer Membran-Elektroden-Anordnung - kurz MEA - im allgemeinen eine Impedanzmessung durchgeführt. Bei einer Impedanzmessung, z.B. mit einem Milliohmmeter der Firma Hewlett Packard, wird einer Probe, z.B. einer PEM-Brennstoffzelle, eine WechselSpannung aufgeprägt und der Strom gemessen, der durch die Probe fließt. In Abhängigkeit von der aufgeprägten Frequenz ergeben sich unterschiedliche Widerstände. Die Widerstände können nur tendenziell verschiedenen Bereichen einer Brennstoffzelle zu- geordnet werden. Eine exakte Messung des Membranwiderstands z.B. einer PEM-Brennstoffzelle im Betrieb ist jedoch sehr schwierig da sich die verschieden Widerstände (Übergangswiderstände in der MEA, Übergangswiderstände in der bipolaren Platte) überlagern. Ein weiterer Nachteil der Impedanzmessung mit z.B. einem Milliohmmeter ist, daß eine ortsaufgelöste Messung der Impedanz nur mit hohem Aufwand möglich ist, z.B. mit Hilfe einer segmentierten Platte.
Die Feuchte in einer MEA ist eine Größe, die sich relativ schnell auf den Widerstand auswirkt, und zwar im allgemeinen schneller als Änderungen anderer Widerstandsanteile. Deswegen kann eine Änderung der Feuchte einer Membran verhältnismäßig schnell gemessen werden.
Im Stand der Technik sind ferner optische Meßeinrichtungen bekannt, die z.B. zur Bestimmung des Füllstandes eines Behälters dienen. Sie bestehen aus einem lichtleitenden Stab der am Ende abgeschrägt ist. In den Stab wird Licht eingeleitet. Wenn das Ende des Stabes nur mit Gas in Kontakt ist, wird das Licht über Totalreflexion zurück gespiegelt . Kommt nun eine Flüssigkeit an das Ende, wird das Licht teilweise in die Flüssigkeit gebrochen und weniger Licht in den Stab zurück reflektiert. Es besteht also die Möglichkeit an einer Stelle (am Ende des Stabes) einen Phasenübergang fest-flüssig zu de- tektieren (vgl. Fig. 1 und 2) . Der Stab wirkt dabei wie ein Sensor, das Ende des Stabes wie ein Sensorkopf. Diese Meßeinrichtung weist den Nachteil auf, daß sie nur eine Messung am Ende eines Glasstabes erlaubt. Es wäre jedoch wünschenswert, wenn eine Messung in einem größeren Bereich des Glasstabes o- der einer Glasfaser, z.B. an der äußeren Randschicht bzw. der Oberfläche des Stabe oder der Faser, möglich wäre.
Nach den Gesetzen der Optik ist die Lichtbrechung an einer
Grenzfläche abhängig von der Wellenlänge des Lichts. Ferner ist die Lichtbrechung davon abhängig, in welchem Winkel der Lichtstrahl auftrifft (vgl. „Physik für Ingenieure", VDI Verlag) . Dadurch kommt es beim Übergang von einem festen in ein flüssiges Medium bei bestimmten Winkeln zu einer Teilung des
Lichtstrahls. Ein Teil wird in das feste Material zurück gespiegelt, ein anderer Teil wird in das flüssige Medium gebrochen. Dadurch nimmt die Menge des im festen Medium verbleibenden Lichts ab, was quantitativ gemessen werden kann. Bei einem Übergang von einem festen zu einem festen Medium tritt der Effekt der Lichtbrechung im allgemeinen nicht auf, wodurch Licht annähernd verlustfrei über lange Strecken gelei-
tet werden kann. Letzteres wird z.B. bei der Lichtleitung in Kabeln aus Glasfasern ausgenutzt.
Bei einem Übergang von einem festen in ein gasförmiges Medium (fest-gasförmig Phasenübergang) tritt der beschriebene Effekt zwar auch auf, er ist jedoch infolge des geringeren Unterschiedes in den Brechungsindices geringer, kann aber prinzipiell ebenfalls gemessen werden. Im folgenden ist daher im Zusammenhang mit der Messung von Wasser in der Regel sowohl flüssiges Wasser, als auch gasförmiges Wasser (Wasserdampf) gemeint .
Da der Reflexionsgrad an der Grenzfläche zwischen einem Lichtleiter und seiner Umgebung abhängig ist von dem Medium, welches den Lichtleiter umgibt, ist die Menge des reflektierten Lichtes davon abhängig, wieviel Wasser in Kontakt mit dem Lichtleiter steht. Dies läßt sich für die quantitative Bestimmung von mit einem Lichtleiter in Kontakt stehendem Wasser ausnutzen. Natürlich können auch andere Flüssigkeiten au- ßer Wasser auf diese Art bestimmt werden, sowie Gase, wie z.B. Wasserdampf.
Für den Brechungsindex n eines Lichtleiters und den Winkel eines Lichtstrahls ergibt sich aus der Formel für die Total- reflexion folgendes:
n' sinε =— s n
εg Grenzwinkel für die Totalreflexion nx Brechungsindex des optisch dichteren Mediums n Brechungsindex des optisch dünneren Mediums
Setzt man für n den Brechungsindex von Luft 1,0003 (gelbes Licht, Wellenlänge λ = 589 nm, 2'0°C, 1013 mbar) ein und nimmt einem Winkel von 45° an (= zwei Totalreflexionen mit jeweils 45° Einfallswinkel) dann ergibt sich:
_ 1,0003 n =- =1,414 sinε„ sin 45°
Daraus folgt, daß ein Lichtleitermaterial mit einem Bre- chungsindex von mindesten 1,414 notwendig ist, um eine Totalreflexion mit einem Einfallswinkel von 45°, an der Sensorspitze, zu erreichen.
Auf dem umgekehrten Rechenweg kann man für einen gegebenen Brechungsindex n einen genauen Winkel für den Übergang zur Totalreflexion für ein bestimmtes Medium berechen.
Unter Feuchte wird im allgemeinen die relative Feuchte verstanden:
Φ = 'H20
' sat
PHΣO = Partialdruck von Wasserdampf pSa = Sättigungsdampfdruck von Wasser
Zu berücksichtigen ist aber auch, daß der Übergang zwischen einer Brechung des Lichts und einer Totalreflexion des Lichts fließend ist, d.h. bei kleineren Winkeln wird ein Teil des Lichtes gebrochen und ein Teil total reflektiert . Dabei wird zwar weniger Licht zurück geleitet, der Effekt tritt aber trotzdem auf.
In einer PEM-Brennstoffzelle besteht das Problem, daß das bei der elektrochemischen Reaktion (z.B. 2 H2 + 02 —» 2 H20) ge- bildete Produktwasser unter ungünstigen Umständen nicht in ausreichendem Maße aus der Brennstoffzelle abgeführt werden kann. Es kann dann die Elektroden verstopfen, die Diffusion der Reaktionsstoffe in den Elektroden behindern und so die e- lektrochemische Reaktion verlangsamen oder sogar zum Erliegen bringen - die Brennstoffzelle „säuft abn.
Das Wasser in einer Brennstoffzelle, z.B. Produktwasser, bildet zunächst lokal sehr kleine Tröpfchen. Wird das Wasser nicht aus der Brennstoffzelle abgeführt, nimmt zum einen die Anzahl der Tröpfchen zu, zum anderen wachsen die Tröpfchen volumenmäßig an, bis sie schließlich zusammenwachsen, d.h. zu größeren Tropfen aggregieren. Im Extremfall erstreckt sich ein einziger großer Tropfen über die gesamte Elektrode. In diesem Fall ist dann der Katalysator mit flüssigem Wasser be- deckt, d.h. er ist überflutet - die Brennstoffzelle ist „abgesoffen". Die Folge davon ist, daß die Reaktionsgase nur noch schlecht oder sogar überhaupt nicht mehr an den Katalysator gelangen können und die elektrochemische Reaktion zusammenbricht. Um das zu verhindern und ggf. rechtzeitig ge- eignete Gegenmaßnahmen ergreifen zu können, wäre es wünschenswert, zu jeder Zeit genaue Informationen über den Gehalt der Elektroden an Wasser in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand zur Verfügung zu haben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur
Verfügung zu stellen, die eine einfache und schnelle Messung von Wasser in einer MEA ermöglicht. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das eine einfache und schnelle Messung von Wasser in einer MEA gestat- tet.
Ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend eine Anordnung zur optischen Messung von Wasser in einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) . Erfindungsgemäß weist die Anordnung eine oder mehrere lichtleitende Fasern auf, die an oder in einer MEA angeordnet sind, sowie wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens eine Meßeinrichtung für Lichtmengen, wobei die Lichtquelle mit den Fasern optisch verbunden ist, um Lichtstrahlen in die Fasern einzuleiten, und wobei ferner die Fasern mit der Meßeinrichtung optisch verbunden sind, um Lichtstrahlen an die Meßeinrichtung ab-
zugeben und die Fasern wenigstens teilweise in Wechselwirkung mit ihrer Umgebung stehen.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Anordnung basiert auf dem physikalischen bzw. optischen Effekt, daß sich Licht an der Grenzfläche zwischen zwei festen Medien (fest-fest Phasenübergang) anders bricht als an der Grenzfläche zwischen einem festen und einem flüssigen Medium oder einem festen und einem gasförmigem Medium (fest-flüssig bzw. fest-gasförmig Phasenübergang) .
Lagern sich an einen Lichtleiter z.B. kleine Tröpfchen an, wird an diesen Stellen das Licht nach außen gebrochen, die Menge des Lichtes im Lichtleiter nimmt also ab. Je mehr Was- ser die Oberfläche des Lichtleiters benetzt, desto mehr Licht wird aus dem Lichtleiter nach außen gebrochen und desto geringer wird die Menge des im Lichtleiter verbleibenden Lichts. Es ist also nicht nur eine qualitative Messung (De- tektion) von Wasser möglich, sondern auch eine quantitative Messung (Bestimmung) .
Ist die erfindungsgemäße Anordnung meßtechnisch entsprechend präzise ausgeführt, dann kann auch eine sehr kleine Änderung des Brechugsindex gemessen werden, wie sie z.B. bei einer Phasengrenze fest-gasförmig vorliegt. Für die vorliegende Erfindung bedeutet das, daß prinzipiell auch Gasgemische gemessen werden können, insbesondere Gasgemische, die Wasserdampf enthalten. Dadurch ist es also prinzipiell auch möglich, bei entsprechend hoher Präzision der erfindungsgemäßen Anordnung, die relative Feuchte eines Reaktionsstoffes, vorzugsweise
Luft, zu messen. So kann z.B. in vorteilhafter Weise die relative Feuchte einer MEA, die sich z.B. während des Betriebes ständig ändert, ununterbrochen gemessen und überwacht werden.
Erfindungsgemäß ist daher in oder an einer MEA oder an einer oder mehreren ihrer Oberflächen ein Lichtleiter, z.B. eine Glasfaser, angeordnet. In diesen wird dann eine definierte
Menge Licht eingeleitet. Zu Messung von Wasser wird dann die Menge des reflektierten Lichts gemessen.
Zu unterscheiden ist zwischen dem Ort, an dem die Wechselwirkung zwischen Wasser und Lichtleiter stattfindet und an dem infolgedessen Teile des eingeleiteten Lichtes den Lichtleiter verlassen - im folgenden Austrittsort genannt - und dem Ort, an dem der eigentliche Meßvorgang stattfindet, der Meßeinrichtung.
Geeignete Meßeinrichtungen sind beispielsweise die von der Firma Keyence erhältlichen Lichtleitersensoren.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist eine Anord- nung zur Messung von Wasser in einer oder an einer MEA einer PEM-Brennstoffzelle oder einer an eine MEA angrenzenden oder parallelen Schicht, wobei eine oder mehrere lichtleitende Fasern an einer oder mehreren vorbestimmten Stellen angeordnet ist oder sind. In die Glasfaser oder die Glasfasern wird eine definierte Menge Licht eingeleitet und die Menge des durch die Glasfaser geleiteten Lichts, welches die Glasfaser oder die Glasfasern nicht durch Lichtbrechung verläßt, wird gemessen. Die vorbestimmten Stellen sind in diesem Zusammenhang die Stellen, an denen es vorgesehen ist, Informationen über den Wassergehalt zu gewinnen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind Glasfasern als Lichtleiter bevorzugt. Daneben kommen aber auch Fasern aus einem anderen Material in Frage, das in der Lage ist, Licht zu leiten, und bei dem ähnliche optischen Effekte der Lichtbrechung an Phasengrenzen auftreten, z.B. Kunststoffe. Glasfasern, die im wesentlichen aus Glas bestehen, sind jedoch bevorzugt .
Zur Messung von Wasser wird daher auf oder in einer MEA eine Glasfaser oder ein Glasfaserbündel angeordnet. Die Glasfasern
werden dann mit Licht gespeist und das Licht, welches aus der Glasfaser zurückgeleitet wird, wird gemessen.
Durch die Messung von Wasser in einer MEA, können Rückschlüs- se auf die elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle gezogen werden, bei der bekanntlich Wasser entsteht (z.B. 2 H2 + 02 → 2 H20) .
Die Erfindung hat außerdem den Vorteil, daß die Anordnung mit Lichtleiter, z.B. Glasfaser, und Meßeinrichtung kostengünstiger und hinsichtlich des Gewichts leichter sind als z.B. Geräte für die Impedanzmessung, z.B. Milliohmmeter der Firma Hewlett Packard.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung liegen die beiden Enden einer Glasfaser außerhalb einer MEA und das Licht wird an einem Ende der Glasfaser eingeleitet und am anderen gemessen.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung endet ein Ende einer Glasfaser in einer MEA. Das Einleiten von Licht geschieht dann auf der gleichen Seite, auf der auch das reflektierte Licht gemessen wird.
Bei einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird eine Glasfaser mit speziell hergerichteter Oberfläche, vorzugsweise mit aufgerauter Oberfläche, eingesetzt. Das hat den Vorteil, daß der Effekt der Lichtbrechung durch Anlagerung von Wasser oder Wassertröpfchen verstärkt wird.
Dabei ist es weiter bevorzugt, wenn die Oberfläche der Glasfaser nur an vorbestimmten Stellen speziell hergerichtet ist, vorzugsweise aufgerauht ist. Das hat den Vorteil, das diese Stellen sich für die Messung besonders eignen und dadurch Wasser auch lokal, d.h. an vorbestimmten, besonders wichtigen
Stellen auf oder in einer MEA bestimmt werden kann. Die vor-
liegende Erfindung ermöglicht damit eine ortsaufgelöste Messung von Wasser.
Dabei ist eine geeignete Glasfaser vorzugsweise so beschaf- fen, daß sie Licht an einer für eine Messung vorgesehenen Stelle nach außen bricht, wenn dort Wasser vorhanden ist, so daß Licht an dieser Stelle aus der Glasfaser austritt.
Eine geeignete Glasfaser kann auch an vorbestimmten Stellen mit einem lichtundurchlässigen Feststoff isoliert sein, so daß an diesen Stellen keine Austritt von Licht stattfinden kann, sondern nur an nicht isolierten Stellen.
Ebenfalls bevorzugt ist es, wenn eine Vielzahl dünner Glasfa- sern eingesetzt wird, die unterschiedlich lang sind und die dadurch an unterschiedlichen Orten innerhalb einer MEA enden. Das hat den Vorteil, daß dadurch Wasser an vorbestimmten, besonders wichtigen Stellen auf oder in einer MEA bestimmt werden kann, so daß Meßwerte über lokal vorhandenes Wasser an vorbestimmten Stellen auf oder in einer MEA gewonnen werden können. Ein weiterer Vorteil ist, daß ein Funktionieren der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewährleistet ist, selbst wenn einzelne Glasfasern in ihrer Funktion beeinträchtigt sind o- der sogar ausfallen.
Eine weitere bevorzugte Variante der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß Glasfasern nur an bestimmten Orten auf oder innerhalb einer MEA angeordnet sind, z.B. in der Zellebene o- der in dazu im wesentlichen parallelen, vertikalen Ebenen. Das hat den Vorteil, daß dadurch verschiedene Schichten innerhalb einer Brennstoffzelle hinsichtlich ihrem Gehalt an Wasser untersucht werden können und das Auftreten von Wasser in diesem Bereich detektiert werden kann. Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Glasfasern im Bereich der Ports, z.B. des Kathodenausgansports, angeordnet sind (vgl. Fig. 3).
Ein für die Analyse sehr interessanter Bereich sind die Membranoberflächen, an denen sich der Katalysator befindet und an denen die Teilreaktionen stattfinden.
Eine weitere, ebenfalls bevorzugte Variante der Erfindung sieht vor, daß alle Glasfasern zu einer Meßeinrichtung geführt sind, insbesondere daß alle Glasfasern von einer Lichtquelle ausgehen und zu einer Meßeinrichtung geführt und entsprechend geschaltet sind. Das hat den Vorteil, daß man Was- ser an verschiedenen Stellen in einer MEA oder/und in einem Stack messen kann, man aber mit nur einer Lichtquelle und einer Meßeinrichtung auskommt, was insbesondere hinsichtlich der Kosten vorteilhaft ist. Ein weiterer Vorteil ist, daß kaum zusätzlicher Bauraum erforderlich ist, im Gegensatz zu z.B. Geräten für die Impedanzmessung.
Mit einer einzelnen Glasfaser kann man nur feststellen, ob Wasser an der Grenzfläche der Glasfaser vorliegt oder nicht. Faßt man die Eingangsleitungen und Ausgangsleitungen zusam- men, so daß z.B. 10 Glasfasern von einer Lichtquelle versorgt werden und die 10 Rückleitungen mit dem Sensorsignal auf eine Meßeinrichtung geleitet werden, dann kann eine Aussage darüber gemacht werden, wie viele der Sensorköpfe mit Wasser in Kontakt stehen oder sogar mit Wasser bedeckt sind (vgl. Fig. 4) . Ein Sensorsignal ist in diesem Zusammenhang eine verminderte Lichtmenge, ein Sensorkopf eine Austrittsstelle.
Es ist aber auch möglich, daß in mehreren Bereichen einer MEA Glasfasern angeordnet sind, so daß das Auftreten von Wasser in einer Zellebene gemessen werden kann. Es ist jedoch besonders bevorzugt, wenn die Glasfasern auf den Katalysatorschichten angeordnet sind. Es ist aber auch denkbar, daß Glasfasern in anderen Ebenen einer MEA angeordnet sind, z.B. an oder in einer Elektrode oder an oder in einer PEM.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Lichtquelle zwischen den Glasfasern um-
schaltbar. Das hat den Vorteil, daß in einzelne Glasfasern gezielt Licht eingeleitet werden kann und daß ferner für alle Glasfasern nur eine Lichtquelle erforderlich ist.
In einer weiteren ebenfalls bevorzugten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung ist die Meßeinrichtung zur Messung der Lichtmenge zwischen den Glasfasern umschaltbar.
Ein zweiter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur optischen Messung von Wasser in einer Membran- Elektroden-Anordnung (MEA) . Das Verfahren weist erfindungsgemäß die folgenden Schritte auf :
(a) Anordnen einer oder mehrerer lichtleitender Fasern an o- der in einer MEA; (b) Einleiten einer vorbestimmte Menge an Licht in Form eines Lichtstrahls in die lichtleitende Faser;
(c) Lenken des Lichtstrahls, nach Durchlaufen einer lichtleitenden Faser, auf eine Meßeinrichtung für Lichtmengen;
(d) Messen der Menge des auf die Meßeinrichtung für Lichtmen- gen treffenden Lichts;
(e) Ermitteln der Differenz zwischen eingeleiteter und gemessener Lichtmenge;
(f) Ermitteln der Menge an Wasser anhand der in Schritt (e) ermittelte Differenz.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine einfache und schnelle Messung von Wasser in einer MEA, die auch on-board eines Fahrzeugs und während des Betriebs durchgeführt werden kann.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Messung von Wasser in einer MEA nach dem beschrieben Prinzip verwirklicht, indem Licht in einem Winkel ≠ 180° zur Glasfaser eingeleitet wird, um den Effekt der Licht - brechung besser auszunutzen.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung werden die Lichtstrahlen parallel, d.h. in einem Winkel von 180° zur Glasfaser in die Glasfaser eingeleitet. An Stellen an denen gemessen wird, wird der Lichtstrahl umgelenkt oder gebrochen, um den Effekt der Lichtbrechung auszunutzen.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Sensor des Standes der Technik, bei dem das Prinzip der Lichtbrechung an einer fest-flüssig Phasengrenze zur Messung des Füllstandes eines Behälters ausgenutzt wird (Firma Keyence, Typ FU- 93Z) ;
Fig. 2: das Meßprinzip des o.g. Sensors gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 3: eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der eine Vielzahl von Glasfasern nur in einem Teilbereich einer MEA, z.B. dem Kathodenausgangsport, angeordnet sind;
Fig. 4: eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der eine Vielzahl von Glasfasern auf einer MEA angeordnet sind, wobei die Glasfasern zu einem Bündel zusammengefaßt sind und mit einer Meßeinrichtung verbunden sind.