DE102006005340A1

DE102006005340A1 - Vorrichtung zum Erfassen von Betriebsdaten einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102006005340A1
Application number: DE102006005340A
Authority: DE
Inventors: Peter Marx; Christina Fründt; Wolfgang Langnickel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2007-08-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von Betriebsdaten wenigstens einer Brennstoffzelle (11, 12) in einem Brennstoffzellenstapel (10), bei der eine Sensorplatte (13) in den Brennstoffzellenstapel (10) integriert ist. Erfindungsgemäß sind Sensorchips (18, 19) der Sensorplatte (13) zwischen zwei isolierende Schichten (16, 17) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von Betriebsdaten einer Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 17.
Die Marktfähigkeit von Brennstoffzellen, insbesondere für den Massenmarkt der Kfz-Industrie, ist stark von den Kosten pro Watt der im Brennstoffzellensystem installierten Leistung abhängig. In diesem Zusammenhang spielen vor allem die Kosten für die Herstellung von Elektroden der Brennstoffzellen eine entscheidende Rolle. Die physikalischen Eigenschaften dieser Systembestandteile müssen im Sinne der Kostenoptimierung innerhalb der Betriebssicherheitsgrenzen so weit wie möglich ausgereizt werden. Die Temperaturbeständigkeit und die Festigkeit des Elektrodenmaterials, aber auch der Membrananordnung, an der die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion abläuft, definiert bei Niedertemperatur-Brennstoffzellen die Grenzen der Anordnung. Die Kenntnis von Betriebsgrößen im Betrieb der Brennstoffzelle ist daher von großer Bedeutung.

Es ist bekannt, Betriebsgrößen, z. B. Temperatur und Stromverteilung, unmittelbar innerhalb eines Brennstoffzellenstapels mit Sensoren, die in den Stapel integriert sind, zu erfassen. Die DE 102 13 479 A1 schlägt eine in den Stapel eingesetzte Sensorplatte mit einer Matrix-Anordnung von Messzellen vor, mit der die Stromdichteverteilung, die Temperatur und der herrschende Druck im Stapel erfasst werden können. In der DE 103 92 974 T5 wird dazu vorgeschlagen, eine Sensorplatte in eine Bipolarplatte zu integrieren, mit der im Betrieb die Temperatur und die Stromverteilung erfasst werden können. Aus der DE 10 2004 014114 A1 ist eine geeignet segmentierte Sensorplatte zur Bestimmung der Stromdichteverteilung in Brennstoffzellenstapeln bekannt, die zusätzlich in den Stapel eingebracht werden und wieder entfernt werden kann.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brennstoffzellenstapel und eine Vorrichtung zum Erfassen von Betriebsdaten einer Brennstoffzelle zu schaffen, bei der im aktiven Zustand eine Erfassung von Betriebsdaten durchgeführt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 17 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel sehen neben ihren gattungsbildenden Merkmalen vor, dass Sensorchips der Sensorplatte zwischen zwei isolierende Schichten angeordnet sind. Zweckmäßigerweise kann die Sensorplatte an beliebiger Stelle in den Stapel von Brennstoffzellen eingefügt werden. Es können mehrere Sensorplatten an verschiedenen Stellen im Stapel vorgesehen sein. Die Sensorplatte ist vorzugsweise sehr dünn und beeinflusst die Verhältnisse innerhalb des Stapels nur sehr wenig. Die Erfindung ist für alle Niedertemperatur-Typen von Brennstoffzellen geeignet, welche planar und in Stapeln aufgebaut sind. Dies bedeutet, dass die einzelnen Brennstoffzellen plattenartig ausgebildet sind und mit ihren Plattenflächen aufeinander gestapelt sind. Die Brennstoffzellen bestehen aus dem elektrochemisch aktiven Kern mit der üblichen Brennstoffzellenmembran, Elektroden und dergleichen und sind mit Bipolarplatten voneinander getrennt. Die Bipolarplatten können zweigeteilt sein und aus einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte, die aneinander gefügt sind, bestehen. Sie weisen üblicherweise Flussfelder auf, mit denen anodenseitig bzw. kathodenseitig Betriebsfluide an die Brennstoffzellenmembran herangeführt werden. Die Sensorplatte ist in ihren Abmessungen der Plattenform der Komponenten im Brennstoffzellenstapel nachgebildet. Durch die Möglichkeit, Betriebsgrößen genau und ohne Beeinflussung des normalen Betriebs der Brennstoffzellen erfassen zu können, wird eine systematische Optimierung eines Brennstoffzellen-Designs, insbesondere eine Auslegung von Flussfeldern, Kühlung und Spannvorrichtung zum Verspannen der gestapelten einzelnen Brennstoffzellen, sehr erleichtert und beschleunigt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

In einer günstigen Ausgestaltung weist die Sensorplatte wenigstens zwei Sorten Sensorchips auf. So können mehrere Betriebsgrößen der Brennstoffzellen ermittelt werden, insbesondere Stromdichte, Temperaturverteilung und die Kraftverteilung über die Fläche der Sensorplatte. Die Fläche der Sensorplatte entspricht vorzugsweise der Plattenfläche der Brennstoffzellen. Dadurch kann eine flächenhafte Verteilung der Betriebsdaten über die Plattenfläche erfasst werden.

In einer günstigen Ausgestaltung ist eine Sorte durch Strommesswiderstände und die andere Sorte durch Sensorplättchen zur Erfassung von Druck und/oder Temperatur gebildet. Die verschiedenen Sorten können identische oder unterschiedliche Größen aufweisen. Die Sensorchips können homogen verteilt sein oder auch inhomogen.

Zweckmäßigerweise sind entlang wenigstens einer der isolierenden Schichten elektrische Leitungen zum Außenrand der Sensorplatte geführt. Die isolierenden Schichte dienen so als Träger für die Sensorchips und als Träger für die Leitungen. Über die Leitungen können Signale zu einer Auswerteelektronik geleitet werden.

In einer günstigen Ausgestaltung weisen die isolierenden Schichten elektrisch leitende Durchkontaktierungen auf, die vorzugsweise an Bereichen vorgesehen sind, welche jeweils einem Strommesswiderstand in der Sensorplatte zugeordnet sind. Dadurch kann günstigerweise ein Stromfluss über die Strommesswiderstände von einer isolierenden Schicht zur gegenüberliegenden isolierenden Schicht verlaufen.

Bevorzugt sind die Sersorplättchen mikrosystemtechnisch gefertigt: Dabei gelingt es auf einfache Weise, dass die Sensorplättchen in der Sensorplatte zur gleichzeitigen Erfassung von Temperatur und Druck ausgebildet sind.

In einer günstigen Ausgestaltung sind die isolierenden Schichten aus wenigstens einem Werkstoff der Gruppe Polyimid, Epoxid, glasfaserverstärktes Epoxid, elastische Vergussmasse, gebildet. Insbesondere ist das Polyimid in Form einer unter dem Markennamen Kapton der Firma DuPont vertriebenen Folie vorgesehen, was höhere Einsatztemperaturen von über 200°C ermöglicht. Als glasfaserverstärktes Epoxid ist ein FR4-Material günstig, bei geringerer Einsatztemperatur von höchstens etwa 130°C.

In einer günstigen Ausgestaltung sind die Sensorchips aus Silizium und/oder einem siliziumhal- tigen Werkstoff gebildet. Die Messwiderstände sind vorzugsweise aus einem definiert dotierten Silizium gefertigt. In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Hälfte der Sensorplatte mit Strommesswiderständen belegt. Dann ist es günstig, wenn der spezifische Widerstand der Strommesswiderstände jeweils höchstens die Hälfte des spezifischen Widerstands des Elektrodenmaterials der Brennstoffzelle beträgt. Weiterhin ist es dann günstig, wenn die Strommesswiderstände höchstens mit einer Stromdichte beaufschlagt werden, die etwa dem Doppelten der ma ximalen Stromdichte des Elektrodenmaterials entspricht. Es können auch andere geeignete Werkstoffe als Silizium eingesetzt werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung entspricht die Dicke der Sensorplatte mit ihren isolierenden Schichten höchstens der Dicke einer Kathodenplatte oder Anodenplatte. Eine bevorzugte Dicke der isolierenden Schichten ist höchstens 100 μm, bevorzugt höchstens 75 μm.

In einer günstigen Ausgestaltung umfasst die Sensorplatte jeweils. mindestens hundert Sensorchips jeder Art. Vorteilhaft ist eine Miniaturisierung der Sensorchips um eine Größenordnung, so dass zumindest tausend Sensorchips jeder Art vorgesehen sein können. Die Sensorchips können matrixartig in einer Fläche nebeneinander angeordnet sein, womit eine vorteilhafte Ortsauflösung bei der Erfassung der Betriebsparameter über die Fläche der Brennstoffzelle möglich ist.

Weitere Ausbildungsformen und Aspekte der Erfindung werden unabhängig von einer Zusammenfassung in den Patentansprüchen ohne Beschränkung der Allgemeinheit im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen
1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels mit einer Sensorplatte;
2 eine Prinzipskizze einer bevorzugten Sensorplatte.
1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Brennstoffzellenstapel 10 mit einer Vielzahl von in einer Längsrichtung 26 aufeinander geschichteten plattenförmigen Brennstoffzellen 11, 12. Die Membranen benachbarter Brennstoffzellen 11, 12 sind jeweils durch eine Bipolarplatte 25 getrennt. Die Funktion einer Bipolarplatte 25 ist allgemein bekannt und wird daher nicht weiter erläutert. Jede Bipolarplatte 25 ist vorzugsweise durch eine nicht ausdrücklich bezeichnete Kathodenplatte und eine nicht ausdrücklich bezeichnete Anodenplatte gebildet, die mit ihren Plattenhauptflächen zusamniengesetzt sind, wobei z.B. die Anodenplatte zur Anode der einen Brennstoffzelle 11 und die Kathodenseite zur Kathode der anderen Brennstoffzelle 12 gerichtet ist. Eine der Bipolarplatten 25 ist als Sensorplatte 13 ausgebildet, die zum Erfassen von Betriebsdaten wenigstens einer der Brennstoffzellen 11, 12 in den Brennstoffzellenstapel 10 integriert ist.
2 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung einer Sensorplatte 13 zur Erfassung von Betriebsdaten von Brennstoffzellen. Zwischen zwei isolierenden Schichten 16, 17 der Sensorplatte 13 ist eine Mehrzahl von Sensorchips 18; 19 flächig verteilt angeordnet, wobei zwei Sorten von Sensorchips 18, 19 vorgesehen sind. Die Sensorchips 18, 19 können eine matrixartige Anordnung bilden. Eine Sorte ist durch Strommesswiderstände 18, insbesondere aus definiert dotiertem Silizium, und die andere Sorte durch vorzugsweise mittels mikrosystemtechnische Methoden gefertigte Sensorplättchen 19 zur Erfassung von Druck und/oder Temperatur gebildet, die ebenfalls vorzugsweise aus Silizium gefertigt sind. Zweckmäßigerweise sollte das Material für die Sensorchips 18, 19 hart genug sein, um die im Brennstoffzellenstapel 10 auftretenden mechanischen Belastungen zu tolerieren. Ein typischer Wert der im Brennstoffzellenstapel 10 wirkenden Kraft ist minimal etwa 0,3·10⁶ Pa bis maximal etwa 6·10⁶ Pa. Der minimale Wert stellt sich ein, wenn die Brennstoffzellen 11, 12 im Stapel so zusammengepresst werden, dass eine ausreichende Dichtigkeit für die Medien innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 erreicht werden kann. Der maximale Wert ergibt sich als Höchstwert für die Festigkeit der Anordnung.
Die Sensorplatte 13 ist beispielhaft in eine Kathodenplatte 25 eingesetzt, die entsprechend umgebaut ist, kann aber grundsätzlich an beliebiger Stelle im Stapel 10 eingefügt werden. Dazu wird zweckmäßigerweise die übliche Flussfeldkontur der Kathodenplatte entfernt, mit der z.B. Luft als Betriebsfluid in durch Stege getrennten Kanälen zur Brennstoffzellenmembran geführt wird. Die Flussfeldkontur wird z.B. ausgefräst und eventuelle Durchtrittskanäle für Betriebsfluid verschlossen. Randseitig wird ein Austrittskanal 15 für nicht erkennbare Leitungen geschaffen, die auf einer oder beiden der elektrisch isolierenden Schichten 16, 17 ausgebildet sind. Von der ursprünglichen Kathodenplatte bleibt im Wesentlichen ein Rand übrig, der zur Stabilisierung der Sensorplatte 13 genutzt werden kann: Die Fläche der Sensorplatte 13 entspricht der einer Bipolarplatte 25.
Die isolierenden Schichten 16, 17 weisen elektrisch leitende Durchkontaktierungen 20, 21 auf, die in Bereichen 23, 24 angeordnet sind, welche jeweils einem Strommesswiderstand 18 in der Sensorplatte 13 zugeordnet sind. Die Durchkontaktierungen 20, 21 dienen zur elektrischen Kontaktierung der Vorrichtung. Die Schichten 16, 17 weisen zusätzliche Kontaktflächen zum praktisch stromfreien Erfassen des Spannungsabfalls in den Strommesswiderständen 18, die bevorzugt durch elektrisch leitende Siliziumplättchen gebildet sind. Der spezifische Widerstand des Materials, aus dem die Strommesswiderstände 18 gebildet sind, liegt bei etwa 10^–4 Ωm, vorzugsweise etwas weniger als die Hälfte des spezifischen Widerstands des verwendeten Elektrodenmaterials der Brennstoffzelle 11, 12, sofern die Hälfte der Fläche der Sensorplatte 13 mit Strommesswiderständen 18 belegt sind. Die Strommesswiderstände 18 werden mit einer Stromdichte von etwa 5 bis 20 A/mm² beaufschlagt, was etwa der doppelten Stromdichte des Elektrodenmaterials der Brennstoffzellen entspricht, sofern etwa die Hälfte der Fläche mit Strommesswiderständen 18 belegt und im ursprünglichen Flussfeld 50% des Materials stehen bleibt.
Die elektrischen Potenziale der zusätzlichen Kontaktflächen, mit denen die Strommesswiderstände 18 kontaktiert sind, werden gemeinsam mit den Signalen der Sensorplättchen 19 über die auf den isolierenden Schichten 16, 17 ausgebildeten Leiterbahnen seitlich des Flussfeldbereichs durch den randseitigen Austrittskanal 15 nach außen an eine nicht abgebildete Auswerteelektronik geführt.
Die obere und untere isolierende Schicht 16, 17 der Sensorplatte 13 ist vorzugsweise eine freitragende Folie und wird z.B. durch eine zusammengefaltete Polyimidfolie gebildet, wobei die Sensorchips 18, 19 dazwischen eingefügt werden.
Die Sensorplättchen 19 können gebondet oder elektrisch leitend oder gelötet oder in anderer Weise auf den als Folie ausgebildeten isolierenden Schichten 16, 17 befestigt werden. Die Strommesswiderstände 18 werden elektrisch leitend mit den Durchkontaktierungen 20, 21 verbunden. Ein Stromfluss über die Stromesswiderstände 18 verläuft von einer isolierenden Schicht 16 zur gegenüberliegenden isolierenden Schicht 17 oder umgekehrt.
Die Sensorplättchen 19 in der Sensorplatte 13 sind zur gleichzeitigen Erfassung von Temperatur und Druck ausgebildet. Vorteilhaft können so die Strommesswerte der Strommesswiderstände 18 und die Druckwerte der Sensorplättchen 19 temperaturkompensiert werden. Dies kann bei entsprechender flächiger Belegung mit Sensorchips 18, 19 auch über die Sensorplatte 13 ortsaufgelöst erfolgen.
Vorzugweise entspricht die Dicke der Sensorplatte 13 mit ihren isolierenden Schichten 16, 17 höchstens der üblichen Dicke einer Kathodenplatte oder Anodenplatte. An den dicksten Stellen der Sensorplatte 13 entspricht dies einer üblichen maximalen Dicke von etwa 1,2 mm. Zweckmäßigerweise wird die Dicke so gewählt, dass auch Dichtungsmaßnahmen vorgenommen werden können, so dass eine bevorzugte Dicke der Sensorplatte 13 bei etwa 1–1,2 mm liegt. Eine günstige Dicke der isolierenden Schicht 16, 17 liegt bei unter 100 μm, vorzugsweise bei etwa 75 μm.
Bei einer Größe der Sensorchips 18, 19 von rund 1 cm² können, bei einer üblichen Fläche der Brennstoffzellen von rund 200 cm² rund 100 Sensorchips 18, 19 pro Sorte in der Sensorplatte 13 vorgesehen sein. Die Sensorchips 18, 19 können auch kleiner dimensioniert werden, so dass sich die Zahl der Sensorchips 18, 19 entsprechend erhöht, z.B. um eine Größenordnung. Dadurch steigt entsprechend die Ortsauflösung der Sensorplatte 13.

10: Brennstoffzellenstapel
11: Brennstoffzelle
12: Brennstoffzelle
13: Sensorplatte
14: Rand Kathodenplatte
15: Austrittskanal
16: isolierende Schicht
17: isolierende Schicht
18: Strommesswiderstand
19: Sensorplättchen
20: Durchkontaktierung
21: Durchkontaktierung
23: Bereich
24: Bereich
25: Bipolarplatte
26: Längsrichtung

Claims

Vorrichtung zum Erfassen von Betriebsdaten wenigstens einer Brennstoffzelle (11, 12) in einem Brennstoffzellenstapel (10), bei der eine Sensorplatte (13) in den Brennstoffzellenstapel (10) integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass Sensorchips (18, 19) der Sensorplatte (13) zwischen zwei isolierende Schichten (16, 17) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplatte (13) wenigstens zwei Sorten Sensorchips (18; 19) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sorte durch Strommesswiderstände (18) und die andere Sorte durch Sensorplättchen (19) zur Erfassung von Druck und/oder Temperatur gebildet ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entlang wenigstens einer der isolierenden Schichten (16, 17) elektrische Leitungen zum Außenrand der Sensorplatte (13) geführt sind.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierenden Schichten (16, 17) elektrisch leitende Durchkontaktierungen (20, 21) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchkontaktierungen (20, 21) an Bereichen (23, 24) vorgesehen sind, welche jeweils einem Strommesswiderstand (18) in der Sensorplatte (13) zugeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromfluss über die Stromesswiderstände (18) von einer isolierenden Schicht (16) zur gegenüberliegenden isolierenden Schicht (17) verläuft.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplättchen (19) mikrosystemtechnisch gefertigt sind.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplättchen (19) in der Sensorplatte (13) zur gleichzeitigen Erfassung von Temperatur und Druck ausgebildet sind.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierenden Schichten (16, 17) aus wenigstens einem Werkstoff der Gruppe Polyimid, Epoxid, glasfaserverstärktes Epoxid, elastische Vergussmasse, gebildet sind.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorchips (18, 19) aus Silizium und/oder einem siliziumhaltigen Werkstoff gebildet ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hälfte der Sensorplatte (13) mit Strommesswiderständen (18) belegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand der Strommesswiderstände (18) jeweils höchstens die Hälfte des spezifischen Widerstands des Elektrodenmaterials der Brennstoffzelle beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommesswiderstände (18) höchstens mit einer Stromdichte beaufschlagt werden, die etwa dem Doppelten der maximalen Stromdichte des Elektrodenmaterials entspricht.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Sensorplatte (13) mit ihren isolierenden Schichten (16, 17) höchstens der Dicke einer Kathodenplatte oder Anodenplatte entspricht.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplatte (13) jeweils mindestens 100 Sensorchips (18, 19) jeder Art umfasst.
Brennstoffzellenstapel mit einer Vorrichtung zum Erfassen von Betriebsdaten wenigstens einer Brennstoffzelle (11, 12) in einem Brennstoffzellenstapel (10), bei der zumindest eine Sensorplatte (13) in den Brennstoffzellenstapel (10) integriert ist, nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sensorchips (18, 19) der Sensorplatte (13) zwischen zwei isolierende Schichten (16, 17) angeordnet sind.