WO2022032322A1 - Membrane for a fuel cell - Google Patents

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WO2022032322A1
WO2022032322A1 PCT/AT2021/060283 AT2021060283W WO2022032322A1 WO 2022032322 A1 WO2022032322 A1 WO 2022032322A1 AT 2021060283 W AT2021060283 W AT 2021060283W WO 2022032322 A1 WO2022032322 A1 WO 2022032322A1
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fuel cell
base body
section
force sensor
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PCT/AT2021/060283
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Franck LE RHUN
Tanner BRUHN
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Avl List Gmbh
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the at least one force sensor is arranged in an inactive side section of the base body, with the side section in particular directly adjoining the membrane section.
  • Such an inactive side section is in particular electrolytically inactive, so that no transfer of ions can take place there in a semipermeable manner.
  • this sub-section has no effect on the chemical reaction for generating electric power.
  • Inactive secondary sections are preferably arranged symmetrically at both ends of the base body, so that, for example, when several force sensors are arranged, they can also be arranged in different inactive secondary sections.
  • the arrangement of the force sensor in an inactive side section also has the advantage that the active membrane section is not affected by the arrangement of the force sensor and the entire transmission surface for the transmission of ions is therefore retained.
  • Another object of the present invention is a method for determining a moisture value of a membrane according to the present invention, comprising the following steps:
  • a temperature parameter in particular with regard to the temperature of the membrane, is taken into account when determining the moisture value in a method according to the invention.
  • By monitoring the temperature directly using a temperature sensor on the base body or in the fuel cell or by monitoring the temperature at other positions of the fuel cell or the fuel cell system it is now possible to determine the proportion of temperature contraction and temperature extraction from the known recorded values of the force parameters - to be filtered out and neglected when determining the moisture value. This also makes it possible to further increase the accuracy of a method according to the invention.
  • a pressure difference between the cathode section adjoining the membrane and the anode section adjoining the membrane on the opposite side is determined from the comparison value in addition to the humidity value.

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Abstract

The present invention relates to a membrane (10) for a fuel cell (100), comprising a planar main body (20) having a peripheral sealing portion (30) to provide sealed gripping in a frame (110) of the fuel cell (100) and at least one semipermeable membrane portion (24), which is permeable to a type of ion, for gas-tight separation of an adjacent cathode portion (120) of the fuel cell (100) from an opposing adjacent anode portion (130) of the fuel cell (100), the main body (20) having at least one force sensor (30) for measuring a mechanical force parameter (KP) in at least one extension direction (X, Y, Z) of the main body (20).

Description

Membran für eine Brennstoffzelle Membrane for a fuel cell
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membran für eine Brennstoffzelle, ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle, aufweisend eine solche Membran sowie ein Verfahren für die Bestimmung eines Feuchtigkeitswertes einer derartigen Membran. The present invention relates to a membrane for a fuel cell, a fuel cell system with at least one fuel cell, having such a membrane, and a method for determining a moisture value of such a membrane.
Es ist bekannt, dass beim Betrieb von Brennstoffzellen die Feuchtigkeit im System eine entscheidende Bedeutung in der Kontrolle und Regelung der Brennstoffzelle einnimmt. So sind insbesondere zwei Extremsituationen zu vermeiden sowie eine Kontrolle der Feuchtigkeit zwischen diesen beiden Extremsituation zu erzielen. Ist die Feuchtigkeit innerhalb der Brennstoffzelle zu gering, so führt dies zum Austrocknen der Membran, sodass die entsprechende Leistung des Systems deutlich zurückgeht und/oder der Verschleiß der Brennstoffzelle deutlich zunimmt. Wird im Gegensatz dazu, die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle zu hoch, so kann dies zum Auskondensieren der Flüssigkeit führen, sodass flüssiges Wasser in der Brennstoffzelle entsteht und die Gaskanäle teilweise oder vollständig blockiert. Auch bei einem solchen Fall wird die Leistung der Brennstoffzelle deutlich reduziert und die Funktionsfähigkeit zumindest temporär beeinträchtigt. It is known that during the operation of fuel cells, the humidity in the system is of crucial importance for the control and regulation of the fuel cell. In particular, two extreme situations are to be avoided and the humidity between these two extreme situations is to be controlled. If the humidity inside the fuel cell is too low, this leads to the membrane drying out, so that the corresponding performance of the system decreases significantly and/or the wear and tear of the fuel cell increases significantly. If, on the other hand, the humidity in the fuel cell becomes too high, this can lead to the liquid condensing out, so that liquid water is formed in the fuel cell and the gas channels are partially or completely blocked. Even in such a case, the performance of the fuel cell is significantly reduced and the functionality is impaired, at least temporarily.
Um die Feuchtigkeit bei den bekannten Brennstoffzellen zu regeln, ist eine Information über den aktuellen Feuchtigkeitswert der Brennstoffzelle notwendig, also den Istzustand. Bei bekannten Lösungen wird dies zum Beispiel dadurch erzielt, dass die Messung von elektrischen Parametern der Brennstoffzelle erfolgt, und auf dieser Basis ein Rückschluss auf die aktuelle Feuchtigkeitssituation und entsprechende Feuchtigkeitswerte der Membran im Inneren der Brennstoffzelle gezogen werden kann. Auch ist es bekannt, dass im Bereich des Einlasses und im Bereich des Auslasses der Brennstoffzelle eine Überwachung der Feuchtigkeit in quantitativer Weise erfolgt, sodass durch die Differenz im Massenstrom ein indirekter Rückschluss auf die Feuchtigkeitssituation und damit den Feuchtigkeitswert der Membran im Inneren der Brennstoffzellen getroffen werden kann. In order to regulate the humidity in the known fuel cells, information about the current humidity value of the fuel cell is necessary, ie the current state. In known solutions, this is achieved, for example, by measuring electrical parameters of the fuel cell and, on this basis, drawing conclusions about the current moisture situation and corresponding moisture values of the membrane inside the fuel cell. It is also known that the moisture is monitored quantitatively in the area of the inlet and in the area of the outlet of the fuel cell, so that the difference in the mass flow allows an indirect conclusion to be drawn about the moisture situation and thus the moisture value of the membrane inside the fuel cell can.
Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass diese entweder sehr ungenau arbeiten oder aber nur eine indirekte Aussage über den Feuchtigkeitswert liefern. Im Fall der Massenstromsensoren im Vorlauf und im Rücklauf des Brennstoffzellensys- tems sind darüber hinaus kostenintensive und aufwendig zu integrierende zusätzliche Sensoren notwendig. A disadvantage of the known solutions is that they either work very imprecisely or only provide indirect information about the moisture value. In the case of the mass flow sensors in the flow and return of the fuel cell system tems, additional sensors that are expensive and difficult to integrate are necessary.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die Bestimmung eines Feuchtigkeitswertes der Membran in der Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen. It is the object of the present invention to at least partially eliminate the disadvantages described above. In particular, it is the object of the present invention to provide the determination of a moisture value of the membrane in the fuel cell in a cost-effective and simple manner.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Membran mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Membran beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann. The above object is achieved by a membrane having the features of claim 1, a fuel cell system having the features of claim 12 and a method having the features of claim 14. Further features and details of the invention result from the dependent claims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the membrane according to the invention also apply, of course, in connection with the fuel cell system according to the invention and the method according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to mutually.
Erfindungsgemäß ist eine Membran für eine Brennstoffzelle vorgesehen, welche einen flächigen Grundkörper aufweist. Dieser flächige Grundkörper ist mit einem umlaufenden Dichtabschnitt ausgestattet zum abgedichteten Einspannen in einen Rahmen der Brennstoffzelle. Weiter weist der Grundkörper wenigstens einen semipermeablen, für eine lonensorte durchlässigen Membranabschnitt auf für ein gasdichtes Trennen eines angrenzenden Kathodenabschnitts der Brennstoffzelle von einem gegenüberliegend angrenzenden Anodenabschnitt der Brennstoffzelle. Darüber hinaus weist der Grundkörper wenigstens einen Kraftsensor auf, für eine Erfassung eines mechanischen Kraftparameters entlang wenigstens einer Erstreckungsrichtung des Grundkörpers. According to the invention, a membrane for a fuel cell is provided which has a flat base body. This flat base body is equipped with a peripheral sealing section for sealed clamping in a frame of the fuel cell. Furthermore, the base body has at least one semipermeable membrane section that is permeable to one type of ion for a gas-tight separation of an adjacent cathode section of the fuel cell from an oppositely adjacent anode section of the fuel cell. In addition, the base body has at least one force sensor for detecting a mechanical force parameter along at least one direction of extension of the base body.
Ein Kraftparameter im Sinne der vorliegenden Erfindung ergibt sich bevorzugt beispielsweise direkt oder indirekt durch ein entsprechendes Sensorsignal des Kraftsensors. Insbesondere weist der Kraftparameter eine Kraft entlang wenigstes einer Kraftrichtung auf. A force parameter within the meaning of the present invention preferably results, for example, directly or indirectly from a corresponding sensor signal from the force sensor. In particular, the force parameter has a force along at least one force direction.
Eine erfindungsgemäße Membran dient dazu in einer Brennstoffzelle eingesetzt zu werden, um dort aus einem chemischen Energiepotential elektrische Energie zu er- zeugen. Beispielsweise kann es sich bei der Brennstoffzelle um eine Wasserstoffbrennstoffzelle, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle handeln. Dabei wird Brennstoff, zum Beispiel in Form von Wasserstoff, auf der einen Seite der Membran und Sauerstoff auf der anderen Seite der Membran entlang geführt, sodass anschließend eine elektrisch unterstützte und kontrollierte chemische Reaktion stattfinden kann.A membrane according to the invention serves to be used in a fuel cell in order to generate electrical energy there from a chemical energy potential. procreate. For example, the fuel cell can be a hydrogen fuel cell, in particular a PEM fuel cell. Fuel, for example in the form of hydrogen, is guided along one side of the membrane and oxygen is guided along the other side of the membrane, so that an electrically supported and controlled chemical reaction can then take place.
Bei dieser kontrollierten chemischen Reaktion fließen Ionen, insbesondere Protonen, über den semipermeablen Membranabschnitt des Grundkörpers, sodass ein Stromfluss erzeugt werden kann. In this controlled chemical reaction, ions, especially protons, flow across the semi-permeable membrane section of the base body, so that a current flow can be generated.
Basierend auf diesem grundlegenden Prinzip der erfindungsgemäßen Membran kann nun mittels einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung in direkter Weise ein Feuchtigkeitswert bestimmt werden. Diese direkte Bestimmung wird möglich, da auf der Membran selbst, also auf dem flächigen Grundkörper, wenigstens ein Kraftsensor angeordnet ist. Dabei kann der Kraftsensor auf der Oberfläche des Grundkörpers der Membran angeordnet sein. Jedoch ist es auch denkbar, dass ein solcher Kraftsensor zumindest teilweise in den Grundkörper integriert ist. Based on this basic principle of the membrane according to the invention, a humidity value can now be determined directly by means of an embodiment according to the invention. This direct determination is possible because at least one force sensor is arranged on the membrane itself, ie on the flat base body. The force sensor can be arranged on the surface of the base body of the membrane. However, it is also conceivable that such a force sensor is at least partially integrated into the base body.
Hinsichtlich der Funktionsweise ist folgendes Phänomen zugrunde zu legen. Je nach Feuchtigkeitssituation der Membran dehnt sich diese aus oder zieht sich zusammen. Eine trocknere Membran führt zu einer zusammengezogenen geometrischen Erstreckung, während eine Feuchtigkeit beladene Membran eine größere Erstreckung aufweist. Ähnlich einer Expansion oder Kontraktion unter Temperaturschwankungen führt also auch die unterschiedliche Feuchtigkeitssituation zu einer Extraktion oder eine Kontraktion des Grundkörpers der Membran. Dies führt wiederum dazu, dass die Extraktion und die Kontraktion als geometrische Veränderung eine Aussagekraft über den aktuellen Feuchtigkeitswert der Membran beinhalten. With regard to the functioning, the following phenomenon is to be taken as a basis. Depending on the humidity situation of the membrane, it expands or contracts. A drier membrane results in a contracted geometric extension, while a moisture-loaded membrane has a larger extension. Similar to an expansion or contraction under temperature fluctuations, the different humidity situation also leads to an extraction or a contraction of the base body of the membrane. This in turn means that the extraction and the contraction as a geometric change contain information about the current humidity value of the membrane.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird es nun möglich mithilfe des Kraftsensors diese geometrische Veränderung durch die Extraktion und die Kontraktion festzustellen und sogar quantitativ zu bestimmen. Hierfür ist der Kraftsensor in der Lage, eine geometrische Verformung und die damit einhergehende veränderte Kraftsituation im Grundkörper wahrzunehmen. Wird beispielsweise die Feuchtigkeit im Inneren der Brennstoffzelle zunehmen, so führt dies zu einer vergrößerten Beladung des Grundkörpers der Membran mit Wasser. Entsprechend der voranstehend beschriebenen Effekte führt dies wiederum zu einer Extraktion, also einem Ausdehnen des Grundkörpers. Aufgrund der Tatsache, dass der Grundkörper in einem Rahmen gasdicht eingespannt ist, kann sich die eingespannte Membran nicht beliebig ausdehnen, sodass die Extraktion durch die Einspannung im Rahmen als Widerlager gehalten wird. Es baut sich demnach im Inneren des Grundkörpers eine entsprechende Kraft auf, die vom Kraftsensor als ansteigender Kraftparameter wahrgenommen werden kann. In an embodiment according to the invention, it is now possible with the help of the force sensor to determine this geometric change through the extraction and the contraction and even to determine it quantitatively. For this purpose, the force sensor is able to perceive a geometric deformation and the associated changed force situation in the base body. If, for example, the humidity inside the fuel cell increases, this leads to an increased loading of the base body of the membrane with water. According to the effects described above, this in turn leads to an extraction, ie an expansion of the base body. Due to the fact that the main body is in a frame is clamped gas-tight, the clamped membrane cannot expand at will, so that the extraction is held by the clamp in the frame as an abutment. Accordingly, a corresponding force builds up inside the base body, which can be perceived by the force sensor as an increasing force parameter.
In gleicher Weise wird eine reduzierte Feuchtigkeit der Membran zu einer Kontraktion, also einem Zusammenziehen des Grundkörpers, führen und ebenfalls durch die feste Einspannung im Rahmen der Brennstoffzelle als Widerlager eine Veränderung des Kraftparameters mit sich bringen. In the same way, reduced humidity of the membrane will lead to a contraction, i.e. a contraction of the base body, and also result in a change in the force parameter due to the firm clamping in the frame of the fuel cell as an abutment.
Dabei ist in einem ersten Schritt unerheblich in welcher Ausrichtung, also in welcher Erstreckungsrichtung, dieser wenigstens eine Kraftparameter bestimmt wird. Jedoch kann es, wie dies später noch erläutert wird, Vorteile mit sich bringen, wenn insbesondere entlang der Haupterstreckungsrichtung, also entlang der längsten Erstreckungsrichtung des Grundkörpers, die Erfassung des Kraftparameters erfolgt. In a first step, it is irrelevant in which orientation, ie in which direction of extension, this at least one force parameter is determined. However, as will be explained later, there can be advantages if the force parameter is detected in particular along the main extension direction, ie along the longest extension direction of the base body.
Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass der Kraftparameter selbstverständlich unterschiedliche Vorzeichen annehmen kann. So kann beispielsweise der Kraftsensor so ausgelegt sein, dass er bei idealer Feuchtigkeitssituation keine Kraft wahrnimmt, also dementsprechend der Grundkörper einen entspannten Zustand einnimmt. Bei einer Beladung von Feuchtigkeit führt dies zu einer Expansion, sodass entsprechend eine positive Kraft (Druckkraft) am Kraftsensor wahrgenommen werden kann. Bei einem Abtrocknen der Membran wird im Gegensatz dazu die Spannung erhöht und in entgegengesetzter Richtung ein negativer Wert (Zugkraft) für den Kraftparameter am Kraftsensor erkennbar. It should also be pointed out that the force parameter can, of course, assume different signs. For example, the force sensor can be designed in such a way that it does not perceive any force in the ideal moisture situation, ie the base body accordingly assumes a relaxed state. If moisture is added, this leads to an expansion, so that a positive force (compressive force) can be perceived on the force sensor. In contrast, when the membrane dries, the tension increases and, in the opposite direction, a negative value (tensile force) can be seen for the force parameter on the force sensor.
Wie aus der voranstehenden Erläuterung ersichtlich wird, ist es nun möglich mithilfe eines Kraftparameters einen Rückschluss auf die Feuchtigkeitssituation und damit den Feuchtigkeitswert des Grundkörpers und damit der Membran zu ermöglichen. Dadurch, dass die Kraft und damit der entsprechende Kraftparameter direkt an der Membran erfasst werden kann, ist hier auch kein zugrunde zu legendes Modell notwendig, da vielmehr eine direkte Messung an dem Element erfolgt, zu welchem der gewünschte Feuchtigkeitswert ermittelt werden soll. Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass die Korrelation zwischen dem Kraftparameter und dem zu bestimmenden Feuchtigkeitswert sowohl qualitativ als auch quantitativ ausgebildet sein kann. Auch ist es denkbar, dass hier ausschließlich Unterschiede, also eine Variation des Kraft- parameters, eine entsprechende Information der Feuchtigkeitsänderung mit sich bringen. Jedoch kann es bevorzugt sein, wenn eine absolute Aussage des Kraftparameters zu einer absoluten Aussage des Feuchtigkeitswertes führt und auf diese Weise die Grundlage für die Feuchtigkeitsregelung der Brennstoffzelle ausbilden kann. As can be seen from the above explanation, it is now possible to use a force parameter to draw conclusions about the moisture situation and thus the moisture value of the base body and thus the membrane. Since the force and thus the corresponding force parameter can be recorded directly on the membrane, there is no need for a model to be used as a basis, since a direct measurement is carried out on the element for which the desired moisture value is to be determined. It should also be pointed out that the correlation between the force parameter and the moisture value to be determined can be both qualitative and quantitative. It is also conceivable that only differences, i.e. a variation of the force parameters, bring with them a corresponding information of the humidity change. However, it can be preferred if an absolute statement of the force parameter leads to an absolute statement of the humidity value and can form the basis for the humidity control of the fuel cell in this way.
Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung kann dabei sowohl auf einem Prüfstand einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellensystem mit solchen Brennstoffzellen, aber auch im tatsächlichen Anwendungsbetrieb einer Brennstoffzelle oder eines entsprechend ausgestatteten Brennstoffzellensystems im Einsatz sein. A configuration according to the invention can be used both on a test stand for a fuel cell or a fuel cell system with such fuel cells, but also in actual operation of a fuel cell or a fuel cell system equipped accordingly.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Membran der wenigstens eine Kraftsensor in einem inaktiven Nebenabschnitt des Grundkörpers angeordnet ist, wobei der Nebenabschnitt insbesondere direkt an den Membranabschnitt angrenzt. Ein solcher inaktiver Nebenabschnitt ist dabei insbesondre elektrolytisch inaktiv, sodass dort kein Übergang von Ionen in semipermeabler Weise erfolgen kann. Somit ist dieser Nebenabschnitt wirkungsfrei hinsichtlich der chemischen Reaktion zur Erzeugung elektrischer Leistung. Bevorzugt sind inaktive Nebenabschnitte symmetrisch an beiden Enden des Grundkörpers angeordnet, sodass zum Beispiel bei der Anordnung von mehreren Kraftsensoren diese auch in unterschiedlichen inaktiven Nebenabschnitten angeordnet werden können. Die Anordnung des Kraftsensors in einem inaktiven Nebenabschnitt bringt darüber hinaus den Vorteil mit sich, dass der aktiv ausgestaltete Membranabschnitt nicht durch die Anordnung des Kraftsensors beeinträchtigt und damit die gesamte Übertragungsfläche für die Übertragung von Ionen beibehalten wird. There can be advantages if, in a membrane according to the invention, the at least one force sensor is arranged in an inactive side section of the base body, with the side section in particular directly adjoining the membrane section. Such an inactive side section is in particular electrolytically inactive, so that no transfer of ions can take place there in a semipermeable manner. Thus, this sub-section has no effect on the chemical reaction for generating electric power. Inactive secondary sections are preferably arranged symmetrically at both ends of the base body, so that, for example, when several force sensors are arranged, they can also be arranged in different inactive secondary sections. The arrangement of the force sensor in an inactive side section also has the advantage that the active membrane section is not affected by the arrangement of the force sensor and the entire transmission surface for the transmission of ions is therefore retained.
Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn der inaktive Nebenabschnitt elektrisch isolierend ausgebildet ist. Neben einer Inaktivität hinsichtlich der elektrolytischen Ausbildung ist eine elektrisch isolierende Ausbildung dazu ausgestaltet unerwünschte Kurzschlüsse in der Brennstoffzelle zu vermeiden. Somit kann zum Beispiel auf separate elektrische Isoliermittel verzichtet werden, da der entsprechend elektrisch isolierende Nebenabschnitt diese Isolationswirkung im gleichen Element mitbringt. Auch ist es auf diese Weise möglich, den Kraftsensor ohne elektrische Isolierung direkt auf diesem elektrisch isolierenden Nebenabschnitt anzuordnen. Die Kontaktierung in elektrischer und signalkommunizierender Weise für den Kraftsensor erfolgt dabei durch separate Anbindung, wie dies später noch, insbesondere bezogen auf drahtgebundene oder drahtlose Lösungen, erläutert wird. It is also advantageous if the inactive secondary section is designed to be electrically insulating. In addition to being inactive with regard to the electrolytic design, an electrically insulating design is designed to prevent unwanted short circuits in the fuel cell. Thus, for example, separate electrical insulating means can be dispensed with, since the corresponding electrically insulating secondary section brings this insulating effect with it in the same element. It is also possible in this way to arrange the force sensor directly on this electrically insulating side section without electrical insulation. The contacting in an electrical and signal-communicating manner for the force sensor takes place here by separate connection, as will be explained later, in particular in relation to wired or wireless solutions.
Ebenfalls Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Membran der Grundkörper wenigstens zwei Kraftsensoren aufweist, welche in unterschiedlichen Abschnitten des Grundkörpers angeordnet und/oder entlang unterschiedlicher Erstreckungsrichtungen ausgerichtet sind. So ist es beispielsweise denkbar, dass zwei oder mehr Nebenabschnitte am Grundkörper ausgebildet sind, wobei in jedem der Nebenabschnitte ein entsprechender eigener Kraftsensor angeordnet ist. Dieser erlaubt es, an unterschiedlichen Stellen des Grundkörpers Kraftparameter zu bestimmen und anschließend auf diese Weise mit höherer Genauigkeit einen Rückschluss auf die Feuchtigkeitswerte der Membran zu erzielen. Insbesondere auf Basis der unterschiedlichen Konzentrationsverhältnisse der Zufuhrgase und Abfuhrgase, führt dies zu einer noch genaueren Kontrolle der Feuchtigkeitssituation innerhalb der Membran. Neben oder zusätzlich zu der Anordnung an unterschiedlichen Positionen ist auch eine unterschiedliche Ausrichtung der Kraftsensoren denkbar, sodass beispielsweise in unterschiedlichen Erstreckungsrichtungen, insbesondere zueinander orthogonal ausgerichtet, die Kraftparameter wahrgenommen werden können. So wird es möglich, zum Beispiel entlang einer Haupterstreckungsrich- tung X eine dazu orthogonal ausgerichtete Nebenerstreckungsrichtung Y ebenfalls hinsichtlich der Kraftparameter zu überwachen. Auch dies erlaubt es, eine verbesserte und breitere Datenbasis für eine noch genauere Auswertung zur Verfügung zu stellen. It can also bring advantages if, in the case of a membrane according to the invention, the base body has at least two force sensors which are arranged in different sections of the base body and/or aligned along different directions of extension. For example, it is conceivable that two or more secondary sections are formed on the base body, with a corresponding separate force sensor being arranged in each of the secondary sections. This makes it possible to determine force parameters at different points on the base body and then to draw conclusions about the moisture values of the membrane with greater accuracy. Based in particular on the different concentration ratios of the supply gases and exhaust gases, this leads to an even more precise control of the moisture situation within the membrane. In addition to or in addition to the arrangement at different positions, a different alignment of the force sensors is also conceivable, so that the force parameters can be perceived, for example, in different directions of extent, in particular aligned orthogonally to one another. It is thus possible, for example, to monitor a secondary direction of extent Y, which is aligned orthogonally thereto, along a main direction of extent X, also with regard to the force parameters. This also makes it possible to provide an improved and broader database for an even more precise evaluation.
Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einer Membran gemäß dem voranstehenden Absatz wenigstens ein Kraftsensor in einem Eingangsabschnitt des Grundkörpers angeordnet ist, welcher einem Gaseingang der Brennstoffzelle zugeordnet ist und wenigstens ein Kraftsensor an einem Ausgangsabschnitt des Grundkörpers angeordnet ist, welcher einem Gasausgang der Brennstoffzelle zugeordnet ist. Es wird also unterschieden zwischen einer Bestimmung des Feuchtigkeitswertes am Gaseingang und am Gasausgang der Brennstoffzelle. Dabei handelt es sich hinsichtlich der Konzentrationsunterschiede der entsprechend vorhandenen Gase um die beiden Extrempositionen mit Bezug auf die Membran, sodass auch mit Bezug auf diese beiden Extrempositionen die unterschiedlichen Feuchtigkeitswerte einen möglichst kompletten Überblick über die Feuchtigkeitssituation der Membran erlauben. Hier wird nochmals gut ersichtlich, dass im Gegensatz zu den indirekten Messungen gemäß dem Stand der Technik nicht nur eine direkte Bestimmung des Feuchtigkeitswertes an der Membran möglich ist, sondern vielmehr sogar eine feinere Auflösung über unterschiedliche Abschnitte der Membran hinsichtlich des zu bestimmenden Feuchtigkeitswertes möglich wird. There are also advantages if, in the case of a membrane according to the previous paragraph, at least one force sensor is arranged in an inlet section of the base body, which is assigned to a gas inlet of the fuel cell, and at least one force sensor is arranged in an outlet section of the base body, which is a gas outlet of the fuel cell assigned. A distinction is therefore made between determining the moisture value at the gas inlet and at the gas outlet of the fuel cell. With regard to the concentration differences of the corresponding gases present, these are the two extreme positions in relation to the membrane, so that the different moisture values also allow the most complete possible overview of the moisture situation of the membrane in relation to these two extreme positions. Here it is again clearly evident that in contrast to the indirect measurements According to the state of the art, not only is it possible to directly determine the moisture value on the membrane, but rather even finer resolution over different sections of the membrane with regard to the moisture value to be determined is possible.
Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Membran der wenigstens eine Kraftsensor auf einer Kathodenseite des Grundkörpers angeordnet ist. Der Kathodenabschnitt und der Anodenabschnitt sind hinsichtlich der entsprechenden Gasdurchsatzmengen in einer Brennstoffzelle unterschiedlich groß ausgebildet. Bei den meisten Brennstoffzellensystemen, insbesondere bei wasserstoffbasierten PEM-Brennstoffzellen, ist dabei der Gasdurchsatz im Kathodenabschnitt größer als im Anodenabschnitt, sodass entsprechend auf der Kathodenseite des Grundkörpers im Kathodenabschnitt ein größeres freies Volumen zur Verfügung steht. In diesem größeren Volumen ist es somit einfacher, einen entsprechenden Kraftsensor hinsichtlich seiner geometrischen Erstreckung anzuordnen, ohne, dass der darin notwendige Gasdurchsatz wesentlich beeinträchtigt wird. In addition, there are advantages if, in the case of a membrane according to the invention, the at least one force sensor is arranged on a cathode side of the base body. The cathode section and the anode section are of different sizes with regard to the corresponding gas throughput quantities in a fuel cell. In most fuel cell systems, in particular in hydrogen-based PEM fuel cells, the gas throughput in the cathode section is greater than in the anode section, so that a larger free volume is correspondingly available on the cathode side of the base body in the cathode section. In this larger volume, it is therefore easier to arrange a corresponding force sensor with regard to its geometric extension, without the gas throughput required therein being significantly impaired.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Membran der wenigstens eine Kraftsensor Kontaktelemente aufweist für eine elektrische Versorgung des Kraftsensors und/oder eine signaltechnische Kontaktierung des Kraftsensors, wobei sich die Kontaktelemente insbesondere über den Dichtabschnitt erstrecken. Dabei handelt es sich bei den Kontaktelementen vorzugsweise um drahtgebundene Kontaktelemente, welche für die elektrische Versorgung und/oder die signaltechnische Kontaktierung, also die Übermittlung der erfassten Kraftparameter, dienen. Diese Kontaktelemente können sich bei der Verwendung von zwei oder mehr Kraftsensoren auch zwischen den Kraftsensoren innerhalb des Grundkörpers, insbesondere innerhalb des Dichtabschnitts erstrecken, sodass demnach eine kaskadierende Reihenkontaktierung der einzelnen Kraftsensoren möglich ist. Durch die drahtgebundene Ausgestaltung der Kontaktelemente können diese in dünner Ausgestaltung über den Dichtabschnitt geführt werden, sodass dementsprechend die Dichtwirkung durch die dünnen Querschnitte der drahtgebundenen Kontaktelemente beim abdichtenden Zusammenführen des Rahmens der Brennstoffzelle nicht beeinträchtigt wird. Eine entsprechende Reihenverbindung ist selbstverständlich auch außerhalb der Brennstoffzelle mit zugehörigen Kraftsensoren benachbarter Brennstoffzellen denkbar. Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Membran der wenigstens eine Kraftsensor wenigstens eine drahtlose Kontaktschnittstelle aufweist für eine elektrische Versorgung des Kraftsensors und/oder eine signaltechnische Kontaktierung des Kraftsensors. Selbstverständlich können solche drahtlos angebundenen Kraftsensoren mit drahtgebunden angebundenen Kraftsensoren gemäß dem voranstehenden Absatz in einer gemeinsamen Membran in kombinierter Weise eingesetzt werden. Beispielsweise ist es denkbar, über eine drahtlose Kommunikation die Kraftsensoren anzusprechen und auszulesen. Dabei ist insbesondere hinzuweisen auf die Möglichkeit einer drahtlosen Energieübertragung, wie es zum Beispiel bei der drahtlosen Ladetechnik bei Mobiltelefonen bekannt ist. Dies führt dazu, dass sowohl für die Kommunikation als auch für die Energieversorgung keine Rücksicht auf die Kontaktierung genommen werden muss, wenn der Dichtabschnitt des Grundkörpers ausgelegt wird. It is also advantageous if, in a membrane according to the invention, the at least one force sensor has contact elements for an electrical supply to the force sensor and/or contacting the force sensor for signaling purposes, with the contact elements extending in particular over the sealing section. The contact elements are preferably wired contact elements, which are used for the electrical supply and/or the signaling contact, ie the transmission of the detected force parameters. When using two or more force sensors, these contact elements can also extend between the force sensors within the base body, in particular within the sealing section, so that cascading series contacting of the individual force sensors is possible. Due to the wired configuration of the contact elements, they can be guided over the sealing section in a thin configuration, so that the sealing effect is not impaired by the thin cross sections of the wired contact elements when the frame of the fuel cell is brought together in a sealing manner. A corresponding series connection is of course also conceivable outside of the fuel cell with associated force sensors of adjacent fuel cells. Further advantages can result if, in a membrane according to the invention, the at least one force sensor has at least one wireless contact interface for an electrical supply of the force sensor and/or a signal-related contacting of the force sensor. Of course, such wirelessly connected force sensors can be used in combination with wire-connected force sensors according to the previous paragraph in a common membrane. For example, it is conceivable to address and read out the force sensors via wireless communication. In this context, particular attention should be paid to the possibility of wireless energy transmission, as is known, for example, in wireless charging technology for mobile phones. The result of this is that the contacting does not have to be taken into account either for communication or for the energy supply when the sealing section of the base body is designed.
Weiter von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Membran der Kraftsensor als Dehnmessstreifen ausgebildet ist für eine Erfassung des mechanischen Kraftparameters in Form einer Längenänderung entlang wenigstens einer Erstreckungsrichtung des Grundkörpers. Mit anderen Worten erfolgt keine direkte Erfassung einer Kraft, sondern eine direkte Erfassung einer Längenänderung als Kraftparameter. Für die weitere Auswertung kann eine solche Längenänderung entweder direkt verwendet werden oder aber in eine damit korrespondierende Kraftänderung umgewandelt werden. In beiden Fällen ist die Erfassung einer Längenänderung durch die Ausbildung als Dehnmesstreifen besonders einfach und kostengünstig im Vergleich zu teureren und komplexeren Kraftsensoren möglich. It can also be advantageous if the force sensor in a membrane according to the invention is designed as a strain gauge for detecting the mechanical force parameter in the form of a change in length along at least one direction of extension of the base body. In other words, there is no direct detection of a force, but rather a direct detection of a change in length as a force parameter. Such a change in length can either be used directly for further evaluation or converted into a corresponding change in force. In both cases, the detection of a change in length is possible in a particularly simple and cost-effective manner in comparison to more expensive and more complex force sensors due to the design as a strain gauge.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Membran der Kraftsensor den wenigstens einen mechanischen Kraftparameter ausschließlich oder im Wesentlichen ausschließlich entlang einer Hauptebene der Erstreckungsrichtungen des Grundkörpers erfasst. Darunter ist zu verstehen, dass die Erstreckungsrichtung quer zu dieser Hauptebene frei von einer Erfassung ausgebildet ist. Auch dies hilft, die Membran und insbesondere den Kraftsensor kostengünstiger und einfacher auszubilden sowie in den Grundkörper zu integrieren. It is also advantageous if, in the case of a membrane according to the invention, the force sensor detects the at least one mechanical force parameter exclusively or essentially exclusively along a main plane of the directions of extent of the base body. This means that the direction of extent is formed transversely to this main plane so that it is free of a detection. This also helps to design the membrane and in particular the force sensor more cost-effectively and simply, and to integrate them into the base body.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Membran der Kraftsensor in den Grundkörper der Membran integriert ist, insbesondere in befestigungsfreier Weise. Damit ist eine integrale Ausbildung des Kraftsensors mit der Membran zu verstehen, so dass keine separaten Spannelemente oder Befestigungsmittel mehr notwendig sind. There can be advantages if, in the case of a membrane according to the invention, the force sensor is integrated into the base body of the membrane, in particular in a manner that is not attached. This is an integral design of the force sensor with the To understand membrane, so that no separate clamping elements or fasteners are no longer necessary.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle, aufweisend eine erfindungsgemäße Membran. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Membran erläutert worden sind. Ein solches Brennstoffzellensystem kann aus einer einzelnen Brennstoffzelle bestehen, einen Stapel mehrerer Brennstoffzellen aufweisen oder auch sich aus mehreren solcher Stapel zu einem kompletten komplexen Brennstoffzellensystem zusammensetzen. Besonders bevorzugt weist ein Brennstoffzellensystem zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit mehr als 100 Brennstoffzellen, insbesondere etwa 300 Brennstoffzellen auf. The subject of the present invention is also a fuel cell system with at least one fuel cell, having a membrane according to the invention. A fuel cell system according to the invention thus brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a membrane according to the invention. Such a fuel cell system can consist of a single fuel cell, have a stack of several fuel cells or be composed of several such stacks to form a complete, complex fuel cell system. A fuel cell system particularly preferably has at least one fuel cell stack with more than 100 fuel cells, in particular approximately 300 fuel cells.
Vorteilhaft kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem zumindest zwei Brennstoffzellen, insbesondere alle Brennstoffzellen, eine erfindungsgemäße Membran aufweisen. Damit werden die erfindungsgemäßen Vorteile für jede einzelne Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems erzielbar, sodass eine besonders gute Kontrollmöglichkeit für die Feuchtigkeit der Membranen im Brennstoffzellensystem gewährleistet werden kann. It can be advantageous if, in a fuel cell system according to the invention, at least two fuel cells, in particular all fuel cells, have a membrane according to the invention. The advantages according to the invention can thus be achieved for each individual fuel cell of the fuel cell system, so that a particularly good possibility of controlling the humidity of the membranes in the fuel cell system can be guaranteed.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für die Bestimmung eines Feuchtigkeitswertes einer Membran gemäß der vorliegenden Erfindung, aufweisend die folgenden Schritte: Another object of the present invention is a method for determining a moisture value of a membrane according to the present invention, comprising the following steps:
Erfassen wenigstens eines Kraftparameters entlang wenigstens einer Erstreckungsrichtung des Grundkörpers, detecting at least one force parameter along at least one direction of extent of the base body,
Vergleich des wenigstens einen erfassten Kraftparameters mit einem Vergleichswert, Comparison of the at least one recorded force parameter with a comparison value,
Bestimmen des Feuchtigkeitswertes der Membran auf Basis der Differenz zwischen dem erfassten Kraftparameter und dem Vergleichswert. determining the moisture value of the membrane based on the difference between the sensed force parameter and the comparison value.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren bringt damit die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Membran und ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem erläutert worden sind. Hier wird nochmals deutlich, wie direkt am zu betrachtenden Grundkörper der Membran der Kraftparameter er- fasst wird und über den Vergleichswert und auf Basis der Differenz zum Vergleichswert der Feuchtigkeitswert bestimmt wird. Dabei wird insbesondere gemäß der weiter oben stehenden Erläuterung eine Korrelation zu der Expansionscharakteristik beziehungsweise der Kontraktionscharakteristik als Funktion der Feuchtigkeitssituation der Membran Rücksicht genommen. Insbesondere wird ein funktionaler Zusammenhang mit dem Vergleichswert hergestellt und als Ergebnis der Feuchtigkeitswert erhalten. Jedoch ist grundsätzlich auch ein tabellarischer Zusammenhang im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. A method according to the invention thus brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a membrane according to the invention and a fuel cell system according to the invention. Here it becomes clear again how directly on the base body of the membrane to be considered the force parameters and the humidity value is determined via the comparison value and on the basis of the difference to the comparison value. According to the explanation above, a correlation to the expansion characteristic or the contraction characteristic as a function of the moisture situation of the membrane is taken into account. In particular, a functional connection is established with the comparison value and the moisture value is obtained as a result. However, in principle, a tabular relationship is also conceivable within the scope of the present invention.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zusätzliche Sensorparameter der Brennstoffzelle erfasst werden und der Bestimmung des Feuchtigkeitswertes zugrunde gelegt werden. Solche zusätzlichen Sensorparameter sind beispielsweise elektrische Parameter der Brennstoffzelle. Auch andere zur Verfügung stehende Parameter, wie zum Beispiel die Massenströme einzelner Gase, sind hier grundsätzlich einsetzbar. Es ist also möglich mit zusätzlichen Parametern die Genauigkeit der Bestimmung zu verbessern und insbesondere einen Rückschluss auf mögliche Ursachen von reduzierter oder erhöhter Feuchte an der Membran zu erlauben. Dabei wird insbesondere auf Sensorparameter zurückgegriffen, welche von zusätzlichen Sensoren stammen, welche für andere Kontrollmechanismen grundsätzlich schon an der Brennstoffzelle vorhanden sind. There can be advantages if, in a method according to the invention, additional sensor parameters of the fuel cell are recorded and the determination of the moisture value is used as a basis. Such additional sensor parameters are, for example, electrical parameters of the fuel cell. Other parameters that are available, such as the mass flows of individual gases, can also be used here in principle. It is therefore possible to use additional parameters to improve the accuracy of the determination and, in particular, to allow conclusions to be drawn about possible causes of reduced or increased moisture on the membrane. Here, in particular, use is made of sensor parameters which originate from additional sensors which, in principle, are already present on the fuel cell for other control mechanisms.
Ebenfalls Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren bei der Bestimmung des Feuchtigkeitswertes ein Temperaturparameter, insbesondere bezüglich der Temperatur der Membran, berücksichtigt wird. Man kann dies als eine Temperaturkompensation bezeichnen. Ähnlich der Kontraktion und Extraktion unter der Feuchtigkeitsbeeinflussung werden auch unterschiedliche Temperaturen zu Kontraktion und Extraktion des Materials des Grundkörpers führen. Durch die Überwachung der Temperatur in direkter Weise mithilfe eines Temperatursensors an dem Grundkörper beziehungsweise in der Brennstoffzelle oder aber durch Temperaturüberwachung an anderen Positionen der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellensystems wird es nun möglich, aus den bekannten erfassten Werten der Kraftparameter den Anteil der Temperaturkontraktion und der Temperaturextraktion her- auszufiltern und bei der Bestimmung des Feuchtigkeitswertes zu vernachlässigen. Auch dies erlaubt es, die Genauigkeit eines erfindungsgemäßen Verfahrens noch weiter zu erhöhen. Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren auf Basis einer wiederholten, insbesondere einer kontinuierlich wiederholten, Bestimmung des Feuchtigkeitswertes ein Belastungszyklus für die Membran bestimmt wird. Somit wird es möglich, über einen längeren Zeitraum den Verlauf des Feuchtigkeitswertes und damit den Verlauf des Kraftparameters zu überwachen. Einmalige Belastungen unterhalb der Maximalbelastungsgrenze führen nicht zu einer dauerhaften Schädigung der Membran. Jedoch können auch Belastungen unterhalb der maximalen Belastungsgrenze des Materials des Grundkörpers bei zyklischer Dauerbelastung Schädigungen des Materials mit sich bringen. Die Überwachung mithilfe eines Belastungszyklus führt also dazu, dass bei einer solchen Dauerbelastung beziehungsweise Wechselbelastung in relativer Weise und/oder absoluter Weise ein Rückschluss auf die aktuelle Funktionsfähigkeit der Membran aus mechanischer Sicht gezogen werden kann. It can also bring advantages if a temperature parameter, in particular with regard to the temperature of the membrane, is taken into account when determining the moisture value in a method according to the invention. One can call this a temperature compensation. Similar to the contraction and extraction under the influence of moisture, different temperatures will also cause contraction and extraction of the main body material. By monitoring the temperature directly using a temperature sensor on the base body or in the fuel cell or by monitoring the temperature at other positions of the fuel cell or the fuel cell system, it is now possible to determine the proportion of temperature contraction and temperature extraction from the known recorded values of the force parameters - to be filtered out and neglected when determining the moisture value. This also makes it possible to further increase the accuracy of a method according to the invention. It can also be advantageous if, in a method according to the invention, a stress cycle for the membrane is determined on the basis of a repeated, in particular a continuously repeated, determination of the moisture value. This makes it possible to monitor the course of the moisture value and thus the course of the force parameter over a longer period of time. One-off loads below the maximum load limit do not lead to permanent damage to the membrane. However, loads below the maximum load limit of the material of the base body can also cause damage to the material in the case of cyclical continuous loading. Monitoring with the aid of a load cycle therefore means that, in the event of such a permanent load or alternating load, a conclusion can be drawn in a relative and/or absolute manner as to the current functionality of the membrane from a mechanical point of view.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich zum Feuchtigkeitswert eine Druckdifferenz zwischen dem an die Membran angrenzenden Kathodenabschnitt und dem auf der gegenüberliegenden Seite der Membran angrenzenden Anodenabschnitt aus dem Vergleichswert bestimmt wird. Durch die Überwachung von Kraftparametern in den beschriebenen Erstreckungsrichtungen des Grundkörpers wird es auch möglich, eine Wölbung der Membran zu erkennen. Eine solche Wölbung entsteht dann, wenn auf dem Kathodenabschnitt und dem Anodenabschnitt unterschiedliche Innendrücke vorliegen, welche nur durch die flexibel ausgebildete Membran ausgeglichen werden können. Bei zu großem Druckunterschied besteht die Gefahr einer Beschädigung der Membran, sodass hier zusätzlich zur Betrachtung der Feuchtigkeitssituation auch eine Absicherung gegen zu hohe Druckunterschiede und entsprechende Beschädigungen der Membran mit einem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist. It is also advantageous if, in a method according to the invention, a pressure difference between the cathode section adjoining the membrane and the anode section adjoining the membrane on the opposite side is determined from the comparison value in addition to the humidity value. By monitoring force parameters in the described directions of extent of the base body, it is also possible to detect a bulging of the membrane. Such a bulge occurs when different internal pressures are present on the cathode section and the anode section, which can only be compensated for by the flexible membrane. If the pressure difference is too great, there is a risk of damage to the membrane, so that in addition to considering the moisture situation, it is also possible to protect against excessive pressure differences and corresponding damage to the membrane using a method according to the invention.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch: Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. They show schematically:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Membran, 1 shows a first embodiment of a membrane according to the invention,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Membran, Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Membran, 2 shows a further embodiment of a membrane according to the invention, 3 shows a further embodiment of a membrane according to the invention,
Fig. 4 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle,4 shows an embodiment of a fuel cell according to the invention,
Fig. 5 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, 5 shows an embodiment of a fuel cell system according to the invention,
Fig. 6 ein möglicher Verlauf eines Kraftparameters, 6 shows a possible course of a force parameter,
Fig. 7 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens und7 shows an embodiment of a method according to the invention and
Fig. 8 ein weiterer möglicher Verlauf eines Kraftparameters. 8 another possible course of a force parameter.
Figur 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Membran 10. Diese ist mit einem Grundkörper 20 ausgestattet, welcher verschiedene Einzelabschnitte aufweist. Zentral ist als Membranabschnitt 24 eine semipermeable Ausgestaltung vorgesehen, welche in der Lage ist, spezifisch einzelne lonenarten hindurchzulassen. Im Falle einer PEM-Wasserstoffbrennstoffzelle ist dies der Durchlass von Protonen. Links und rechts direkt angrenzend zu diesem aktiven Membranabschnitt 24 befindet sich symmetrisch angeordnet auf beiden Seiten jeweils ein inaktiver Nebenabschnitt 26, welcher elektrolytisch inaktiv und elektrisch isolierend ausgebildet ist. Die Größe dieser symmetrisch angeordneten Nebenabschnitte 26 kann unterschiedlich ausgebildet sein. Wiederum umlaufend um den Membrananschnitt 24 sowie die Nebenabschnitte 26 ist der Dichtabschnitt 22 vorgesehen, welcher es erlaubt eine entsprechende Abdichtung zu einem in der Figur 1 nicht dargestellten Rahmen 110 der Brennstoffzelle 100 zu ermöglichen. FIG. 1 schematically shows a membrane 10 according to the invention. This is equipped with a base body 20 which has various individual sections. A semi-permeable configuration is provided centrally as membrane section 24, which is able to specifically let through individual types of ions. In the case of a PEM hydrogen fuel cell, this is the passage of protons. Directly adjacent to this active membrane section 24 on the left and right is an inactive side section 26 arranged symmetrically on both sides, which is electrolytically inactive and electrically insulating. The size of these symmetrically arranged secondary sections 26 can vary. The sealing section 22 is again provided circumferentially around the membrane section 24 and the secondary sections 26, which allows a corresponding seal to be made possible with respect to a frame 110 of the fuel cell 100, which is not shown in FIG.
Der erfindungsgemäße Kerngedanke ist in der Figur 1 durch die Anordnung eines Kraftsensors 30 zu erkennen. Dieser befindet sich im rechten Nebenabschnitt 26, welcher hier als Eingangsabschnitt 27 gegenüber dem Ausgangsabschnitt 28 angeordnet ist. Der Kraftsensor 30 kann zum Beispiel als Dehnmesssensor ausgebildet sein. Bei der Darstellung gemäß der Figur 1 erfolgt eine Erfassung eines Kraftparameters KP entlang der Erstreckungsrichtung X, welche bei der Ausführungsform der Figur 1 auch die Haupterstreckungsrichtung dieser Membran ist. Dabei ist es grundsätzlich unerheblich, ob die einzelnen Erstreckungsrichtungen X, Y und Z orthogonal zueinander stehen oder nicht. Auch kann grundsätzlich jegliche Erstreckungsrichtung X, Y, Z verwendet werden, um mit dem Kraftsensor 30 die entsprechenden Kraftparameter KP zu erfassen. The core idea according to the invention can be seen in FIG. 1 by the arrangement of a force sensor 30 . This is located in the right-hand side section 26, which is arranged here as the input section 27 opposite the output section 28. The force sensor 30 can be designed as a strain gauge sensor, for example. In the representation according to FIG. 1, a force parameter KP is detected along the direction of extension X, which in the embodiment of FIG. 1 is also the main direction of extension of this membrane. It is fundamentally irrelevant whether the individual directions of extent X, Y and Z are orthogonal to one another or not. In principle, any direction of extension is also possible X, Y, Z are used to detect the corresponding force parameters KP with the force sensor 30 .
Figur 2 zeigt eine Möglichkeit der Anordnung von zwei Kraftsensoren 30 in unterschiedlichen Nebenabschnitten 26. Diese sind gleich ausgerichtet, erfassen also den Kraftparameter KP in der gleichen Richtung, hier bevorzugt in der Erstreckungsrichtung X. Für eine elektrische Kontaktierung sowie für eine signaltechnische Kontaktierung sind hier drahtlose Kontaktschnittstellen 34 vorgesehen, welche entsprechend mit Kontaktgegenschnittstellen eines Kontrollsystems kommunizieren können und/oder entsprechend elektrische Energie aufnehmen können. Hier ist gut zu erkennen, dass die Kraftsensoren 30 für diese Kontaktierung keinerlei Schnittstelle über den Dichtabschnitt 22 hinaus benötigen. Auch ist gut zu erkennen, dass innerhalb des Grundkörpers 20 lokal im Eingangsabschnitt 27 und im Ausgangsabschnitt 28 unterschiedliche Kraftparameter KP erfasst werden können, sodass auch über unterschiedliche Bereiche des Grundkörpers 20 eine Bestimmung eines jeweils lokalen Feuchtigkeitswertes möglich wird. Figure 2 shows one possibility of arranging two force sensors 30 in different secondary sections 26. These are aligned in the same way, i.e. they detect the force parameter KP in the same direction, here preferably in the direction of extension X. Wireless are used for electrical contacting and for signaling contacting Contact interfaces 34 are provided, which can communicate accordingly with counter-contact interfaces of a control system and/or can absorb electrical energy accordingly. It is easy to see here that the force sensors 30 do not require any interface beyond the sealing section 22 for this contact. It is also easy to see that different force parameters KP can be detected locally in the input section 27 and in the output section 28 within the base body 20 so that a local moisture value can also be determined over different areas of the base body 20 .
In der Figur 3 ist eine Ausgestaltung der Membran ebenfalls mit zwei Kraftsensoren 30 dargestellt. Diese Variante zeigt zwei Kraftsensoren 30 in einem gemeinsamen Nebenabschnitt 26, hier dem Eingangsabschnitt 27. Bei diesen Kraftsensoren handelt es sich um eine drahtgebundene Anbindung, wobei diese über eine gemeinsame Verkabelung als Kontaktelemente 32 über den Dichtabschnitt 22 aus der Brennstoffzelle 100 hinausgeführt werden können. FIG. 3 also shows an embodiment of the membrane with two force sensors 30 . This variant shows two force sensors 30 in a common secondary section 26, here the input section 27. These force sensors involve a wired connection, whereby they can be routed out of the fuel cell 100 via a common wiring as contact elements 32 via the sealing section 22.
Die Figur 4 zeigt eine Möglichkeit der Anordnung der Figuren 1 bis 3 in seitlicher Darstellung. Hier ist gut zu erkennen, wie der Grundkörper 20 abdichtend den Ka- thodenabschnitt 120 von dem Anodenabschnitt 130 in der Brennstoffzelle 100 trennt. Ein Rahmen 110 spannt den Dichtabschnitt 22 abdichtend ein, sodass entsprechende Gaszufuhr nur über die Gaseingänge 102 und Gasabfuhr nur über die Gasausgänge 104 möglich ist. Bei dieser Ausgestaltung ist der Kathodenabschnitt 120 für einen größeren Gasdurchsatz entsprechend mit größerem Strömungsvolumen ausgestattet als der Anodenabschnitt 130. Neben der abstrakten Darstellung in der Figur 4 ist hier insbesondere eine Ausgestaltung des Kathodenabschnitts 120 mit Kanälen möglich. Dementsprechend ist hier auf der Kathodenseite 21 des Grundkörpers 20 die Anordnung der beiden Kraftsensoren 30 erfolgt, da hier aus geometrischen Gesichtspunkten mehr Freiraum für die Anordnung dieser Kraftsensoren 30 ist. Figur 5 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 200, welches hier sechs Brennstoffzellen 100 gemäß der Figur 4 aufweist. So ist es möglich, dass alle diese Brennstoffzellen 100 eine erfindungsgemäße Membran 10 aufweisen, um entsprechend eine detaillierte Kontrollmöglichkeit auf Basis einzelner Feuchtigkeitswerte FW für jede der Brennstoffzellen 100 zu erlauben. FIG. 4 shows a possibility of the arrangement of FIGS. 1 to 3 in a side view. It is easy to see here how the base body 20 separates the cathode section 120 from the anode section 130 in the fuel cell 100 in a sealing manner. A frame 110 clamps the sealing section 22 in a sealing manner, so that a corresponding gas supply is only possible via the gas inlets 102 and gas discharge is only possible via the gas outlets 104 . In this configuration, the cathode section 120 is correspondingly equipped with a larger flow volume than the anode section 130 for a greater gas throughput. In addition to the abstract representation in FIG. 4, an embodiment of the cathode section 120 with channels is possible here in particular. Accordingly, the two force sensors 30 are arranged on the cathode side 21 of the base body 20 since there is more free space here for the arrangement of these force sensors 30 from a geometric point of view. FIG. 5 schematically shows a fuel cell system 200, which here has six fuel cells 100 according to FIG. It is thus possible for all of these fuel cells 100 to have a membrane 10 according to the invention, in order accordingly to allow a detailed control option on the basis of individual moisture values FW for each of the fuel cells 100 .
Figur 6 zeigt schematisch wie durch ein erfindungsgemäßes Verfahren der Kraftparameter KP über den zeitlichen Verlauf erfasst werden kann. Beispielsweise kann eine statischer oder ein veränderlicher Vergleichswert VW vorgegeben werden. Bei der Ausführungsform der Figur 6 handelt es sich um einen einzelnen, statischen Vergleichswert VW, wobei der Unterschied zwischen dem Kraftparameter KP und dem Vergleichswert VW quantitativ nachgewiesen wird. Auf Basis dieser quantitativen Analyse ist es nun möglich, einen entsprechend diesem quantitativen Unterschied zugeordneten Feuchtigkeitswert FW zu ermitteln und auszugeben. FIG. 6 shows schematically how the force parameter KP can be detected over time using a method according to the invention. For example, a static or a variable comparison value VW can be specified. The embodiment in FIG. 6 is a single, static comparison value VW, with the difference between the force parameter KP and the comparison value VW being quantitatively verified. On the basis of this quantitative analysis, it is now possible to determine and output a moisture value FW associated with this quantitative difference.
Die Figur 7 zeigt schematisch diesen Ablauf, welcher über den Kraftsensor 30, den Kraftparameter KP erfasst und über den Vergleichswert VW einen Feuchtigkeitswert FW ermittelt und ausgibt. Der Figur 7 ist zusätzlich noch zu entnehmen, dass Nebeneinflüsse in Form von zusätzlichen Sensorparametern SP oder Temperaturpara- metern TP eine weitere Steigerung der Genauigkeit der Korrelation zwischen dem Kraftparameter KP und der Feuchtigkeitssituation in Form des Feuchtigkeitswertes FW ermöglicht. Darüber hinaus ist es hier noch möglich, zusätzlich zum Feuchtigkeitswert FW auch eine Druckdifferenz DP zwischen dem Kathodenabschnitt 120 und dem Anodenabschnitt 130 auszugeben. FIG. 7 shows this sequence schematically, which detects the force parameter KP via the force sensor 30 and determines and outputs a humidity value FW via the comparison value VW. FIG. 7 also shows that secondary influences in the form of additional sensor parameters SP or temperature parameters TP enable a further increase in the accuracy of the correlation between the force parameter KP and the moisture situation in the form of the moisture value FW. Furthermore, it is also possible here to also output a pressure difference DP between the cathode section 120 and the anode section 130 in addition to the humidity value FW.
Abschließend zeigt die Figur 8 nochmals einen Verlauf eines Kraftparameters KP über einen längeren Zeitraum. Hier ist gut zu erkennen, wie die Kraftsituation innerhalb des Grundkörpers 20 über einen längeren Zeitraum schwankt. Es entstehen also höhere mechanische Spannungssituationen und niedrigere mechanische Spannungssituationen, sodass eine pulsierende oder wechselnde mechanische Spannungssituation einen längerfristigen Belastungszyklus für die Membran 10 darstellt. Somit wird es möglich, auch dann, wenn die einzelnen Kraftspitzen des Kraftparameters KP unterhalb der maximalen Belastbarkeitsgrenze der Membran 10 liegen, eine mögliche Schädigung durch dauerhafte Wechselbelastung frühzeitig zu erkennen. Finally, FIG. 8 again shows a course of a force parameter KP over a longer period of time. It is easy to see here how the force situation within the base body 20 fluctuates over a longer period of time. Higher mechanical stress situations and lower mechanical stress situations therefore arise, so that a pulsating or changing mechanical stress situation represents a longer-term stress cycle for the membrane 10 . It is thus possible, even if the individual force peaks of the force parameter KP are below the maximum load limit of the membrane 10, to detect possible damage caused by permanent alternating loads at an early stage.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Bezugszeichenliste The above explanation of the embodiments describes the present invention exclusively in the context of examples. reference list
10 Membran 10 membrane
20 Grundkörper 20 basic bodies
21 Kathodenseite 21 cathode side
22 Dichtabschnitt 22 sealing section
24 Membranabschnitt24 membrane section
26 Nebenabschnitt 26 subsidiary section
27 Eingangsabschnitt27 entrance section
28 Ausgangsabschnitt28 exit section
30 Kraftsensor 30 force sensor
32 Kontaktelement 32 contact element
34 Kontaktschnittstelle 34 contact interface
100 Brennstoffzelle 100 fuel cell
102 Gaseingang 102 gas inlet
104 Gasausgang 104 gas outlet
110 Rahmen 110 frames
120 Kathodenabschnitt120 cathode section
130 Anodenabschnitt 130 anode section
200 Brennstoffzellensystem 200 fuel cell system
KP Kraftparameter KP force parameters
SP SensorparameterSP sensor parameters
TP TemperaturparameterTP temperature parameters
VW Vergleichswert VW comparison value
FW FeuchtigkeitswerteFW humidity levels
DP Druckdifferenz DP pressure difference
X ErstreckungsrichtungX extension direction
Y ErstreckungsrichtungY extension direction
Z Erstreckungsrichtung Z extension direction

Claims

Patentansprüche Membran (10) für eine Brennstoffzelle (100), aufweisend einen flächigen Grundkörper (20) mit einem um laufenden Dichtabschnitt (30) zum abgedichteten Einspannen in einem Rahmen (110) der Brennstoffzelle (100) und wenigstens einem semipermeablen, für eine lonensorte durchlässigen Membranabschnitt (24) für ein gasdichtes Trennen eines angrenzenden Kathodenab- schnitts (120) der Brennstoffzelle (100) von einem gegenüberliegend angrenzenden Anodenabschnitt (130) der Brennstoffzelle (100), wobei der Grundkörper (20) wenigstens einen Kraftsensor (30) aufweist für eine Erfassung eines mechanischen Kraftparameters (KP) entlang wenigstens einer Erstreckungsrichtung (X, Y, Z) des Grundkörpers (20). Membran (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kraftsensor (30) in einem inaktiven Nebenabschnitt (26) des Grundkörpers (20) angeordnet ist, wobei der Nebenabschnitt (26) insbesondere direkt an den Membranabschnitt (24) angrenzt. Membran (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der inaktive Nebenabschnitt (26) elektrisch isolierend ausgebildet ist. Membran (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (20) wenigstens zwei Kraftsensoren (30) aufweist, welche in unterschiedlichen Abschnitten des Grundkörpers (20) angeordnet und/oder entlang unterschiedlicher Erstreckungsrichtungen (X, Y, Z) ausgerichtet sind. Membran (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kraftsensor (30) in einem Eingangsabschnitt (27) des Grundkörpers (20) angeordnet ist, welcher einem Gaseingang (102) der Brennstoffzelle (100) zugeordnet ist, und wenigstens ein Kraftsensor (30) an einem Ausgangsabschnitt (28) des Grundkörpers (20) angeordnet ist, welcher einem Gasausgang (104) der Brennstoffzelle (100) zugeordnet ist. Membran (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kraftsensor (30) auf einer Kathodenseite (21 ) des Grundkörpers (20) angeordnet ist. Membran (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kraftsensor (30) Kontaktelemente (32) aufweist für eine elektrische Versorgung des Kraftsensors (30) und/oder eine signaltechnische Kontaktierung des Kraftsensors (30), wobei sich die Kontaktelemente (32) insbesondere über den Dichtabschnitt (22) erstrecken. Membran (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kraftsensor (30) wenigstens eine drahtlose Kontaktschnittstelle (34) aufweist für eine elektrische Versorgung des Kraftsensors (30) und/oder eine signaltechnische Kontaktierung des Kraftsensors (30). Membran (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (30) als Dehnmessstreifen ausgebildet ist für eine Erfassung des mechanischen Kraftparameters (KP) in Form einer Längenänderung entlang wenigstens einer Erstreckungsrichtung (X, Y, Z) des Grundkörpers (20). Membran (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (30) den wenigstens einen mechanischen Kraftparameter (KP) ausschließlich oder im Wesentlichen ausschließlich entlang einer Hauptebene der Erstreckungsrichtungen (X, Y) des Grundkörpers (20) erfasst. Membran (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (30) in den Grundkörper (20) der Membran (10) integriert ist, insbesondere in befestigungsfreier Weise. Brennstoffzellensystem (200) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (100), aufweisend eine Membran (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 11. Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Brennstoffzellen (100), insbesondere alle Brennstoffzel- 18 len (100), eine Membran (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 11 aufweisen. Verfahren für die Bestimmung eines Feuchtigkeitswertes (FW) einer Membran (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 11 , aufweisend die folgenden Schritte: Claims Membrane (10) for a fuel cell (100), having a flat base body (20) with a circumferential sealing section (30) for sealed clamping in a frame (110) of the fuel cell (100) and at least one semipermeable ion type permeable Membrane section (24) for a gas-tight separation of an adjacent cathode section (120) of the fuel cell (100) from an oppositely adjacent anode section (130) of the fuel cell (100), wherein the base body (20) has at least one force sensor (30) for one Detection of a mechanical force parameter (KP) along at least one direction of extension (X, Y, Z) of the base body (20). Membrane (10) according to Claim 1, characterized in that the at least one force sensor (30) is arranged in an inactive side section (26) of the base body (20), the side section (26) in particular directly adjoining the membrane section (24). Membrane (10) according to Claim 2, characterized in that the inactive secondary section (26) is designed to be electrically insulating. Membrane (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the base body (20) has at least two force sensors (30) which are arranged in different sections of the base body (20) and/or along different directions of extension (X, Y, Z) are aligned. Membrane (10) according to Claim 4, characterized in that at least one force sensor (30) is arranged in an inlet section (27) of the base body (20), which is assigned to a gas inlet (102) of the fuel cell (100), and at least one force sensor (30) is arranged on an outlet section (28) of the base body (20), which is associated with a gas outlet (104) of the fuel cell (100). Membrane (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one force sensor (30) is arranged on a cathode side (21) of the base body (20). Membrane (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one force sensor (30) has contact elements (32) for an electrical supply of the force sensor (30) and/or a signaling contact of the force sensor (30), the Contact elements (32) extend in particular over the sealing section (22). Membrane (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one force sensor (30) has at least one wireless contact interface (34) for an electrical supply of the force sensor (30) and/or a signaling contact of the force sensor (30). Membrane (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the force sensor (30) is designed as a strain gauge for detecting the mechanical force parameter (KP) in the form of a change in length along at least one direction of extension (X, Y, Z) of the base body ( 20). Membrane (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the force sensor (30) detects the at least one mechanical force parameter (KP) exclusively or essentially exclusively along a main plane of the directions of extent (X, Y) of the base body (20). Membrane (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the force sensor (30) is integrated into the base body (20) of the membrane (10), in particular in a manner that is not attached. Fuel cell system (200) with at least one fuel cell (100), having a membrane (10) with the features of one of claims 1 to 11. Fuel cell system (200) according to claim 12, characterized in that at least two fuel cells (100), in particular all fuel cells - 18 len (100), a membrane (10) having the features of any one of claims 1 to 11. Method for determining a moisture value (FW) of a membrane (10) with the features of one of claims 1 to 11, comprising the following steps:
- Erfassen wenigstens eines Kraftparameters (KP) entlang wenigstens einer Erstreckungsrichtung (X, Y, Z) des Grundkörpers (20), - detecting at least one force parameter (KP) along at least one direction of extension (X, Y, Z) of the base body (20),
- Vergleich des wenigstens einen erfassten Kraftparameters (KP) mit einem Vergleichswert (VW), - Comparison of the at least one detected force parameter (KP) with a comparison value (VW),
- Bestimmen des Feuchtigkeitswertes (FW) der Membran (10) auf Basis der Differenz zwischen dem erfassten Kraftparameter (KP) und dem Vergleichswert (VW). Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Sensorparameter (SP) der Brennstoffzelle (100) erfasst werden und der Bestimmung des Feuchtigkeitswertes (FW) zugrunde gelegt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Feuchtigkeitswertes (FW) ein Temperaturparameter (TP), insbesondere bezüglich der Temperatur der Membran (10), berücksichtigt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis einer wiederholten, insbesondere einer kontinuierlich wiederholten, Bestimmung des Feuchtigkeitswertes (FW) ein Belastungszyklus für die Membran (10) bestimmt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Feuchtigkeitswert (FW) eine Druckdifferenz (DP) zwischen dem an die Membran (10) angrenzenden Kathodenabschnitt (120) und dem auf der gegenüberliegenden Seite an die Membran (10) angrenzenden Anodenabschnitt (130) aus dem Vergleichswert (VW) bestimmt wird. - Determination of the humidity value (FW) of the membrane (10) on the basis of the difference between the recorded force parameter (KP) and the comparison value (VW). Method according to Claim 14, characterized in that additional sensor parameters (SP) of the fuel cell (100) are recorded and the determination of the moisture value (FW) is used as a basis. Method according to one of Claims 14 or 15, characterized in that a temperature parameter (TP), in particular with regard to the temperature of the membrane (10), is taken into account when determining the moisture value (FW). Method according to one of Claims 14 to 16, characterized in that a stress cycle for the membrane (10) is determined on the basis of a repeated, in particular a continuously repeated, determination of the moisture value (FW). Method according to one of Claims 14 to 17, characterized in that in addition to the humidity value (FW), a pressure difference (DP) between the cathode section (120) adjoining the membrane (10) and the cathode section (120) adjoining the membrane (10) on the opposite side Anode section (130) is determined from the comparison value (VW).
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