DE102006005340A1 - Detecting device for operational data of fuel cell in fuel cell stack, has sensor plate integrated into fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

Device has sensor plate (13) integrated into the fuel cell stack. The sensor chips (19) of the sensor plate are arranged between two isolating layers (16,17). The sensor plate has two grades of sensor chips. Electrical lines are guided along one of the insulating layers to the outer edges of the sensor plate. An independent claim is also included for: the fuel cell stack.

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.The The invention relates to a device for detecting operating data a fuel cell according to the preamble of claim 1 and a fuel cell stack according to the preamble of Patent claim 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.The marketability of fuel cells, in particular for the mass market of the motor vehicle industry, is high on the cost per watt in the fuel cell system installed power. In this context, especially the cost of production play of electrodes of fuel cells a crucial role. The physical properties of these system components must be in Sense of cost optimization within the operational safety limits as far as possible be exhausted. Temperature resistance and strength of the electrode material, but also of the membrane arrangement, on the the electrochemical fuel cell reaction takes place, defined for low-temperature fuel cells, the limits of the arrangement. The knowledge of operating variables in operation The fuel cell is therefore of great importance.

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.It is known, operating variables, for. As temperature and current distribution, immediately within a fuel cell stack with sensors that are integrated into the stack to detect. The DE 102 13 479 A1 proposes a sensor plate inserted into the stack with a matrix arrangement of measuring cells with which the current density distribution, the temperature and the prevailing pressure in the stack can be detected. In the DE 103 92 974 T5 It is proposed to integrate a sensor plate in a bipolar plate, with which the temperature and the current distribution can be detected during operation. From the DE 10 2004 014114 A1 is a suitably segmented sensor plate for determining the current density distribution in fuel cell stacks known, which are additionally introduced into the stack and can be removed again.

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.It The object of the present invention is a fuel cell stack and an apparatus for detecting operation data of a fuel cell to create, in the active state, a collection of operating data carried out can be.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 17 gelöst.The Task is according to the invention with the features of claim 1 and of claim 17.

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.The inventive device and the fuel cell stack according to the invention look in addition to their generic features that sensor chips the sensor plate between two insulating layers arranged are. Conveniently, The sensor plate can be placed anywhere in the stack of fuel cells added become. It can several sensor plates are provided at different locations in the stack be. The sensor plate is preferably very thin and affects the conditions within the stack very little. The invention is for all low temperature types suitable for fuel cells, which are planar and stacked are. This means that the individual fuel cells are plate-like are formed and stacked with their plate surfaces. The fuel cells consist of the electrochemically active core with the usual Fuel cell membrane, electrodes and the like and are with Bipolar plates separated from each other. The bipolar plates can be divided into two parts be and from an anode plate and a cathode plate, which together together are exist. They usually have flow fields on, with those on the anode side or on the cathode side operating fluids the fuel cell membrane are introduced. The sensor plate is in its dimensions the plate shape of the components in the fuel cell stack simulated. By the possibility Company sizes exactly and without affecting normal operation of the fuel cells to be able to will be a systematic optimization of a fuel cell design, in particular, a design of flow fields, cooling and tensioning device for clamping the stacked individual fuel cells, very much relieved and accelerated.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.advantageous Further developments of the invention are specified in subclaims.

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 a cheap one Embodiment, the sensor plate on at least two types of sensor chips. So can several operating variables of Fuel cells are determined, in particular current density, temperature distribution and the force distribution over the area the sensor plate. The area the sensor plate preferably corresponds to the plate surface of Fuel cells. This allows an areal distribution of the operating data over the plate area be recorded.

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.In a cheap one Design is a strain through current sense resistors and the other sort by sensor plates formed for detecting pressure and / or temperature. The different Varieties can have identical or different sizes. The sensor chips can be homogeneously distributed or inhomogeneous.

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.Conveniently, along at least one of the insulating layers are electrical Lines to the outer edge guided the sensor plate. The insulating layer thus serve as a carrier for the sensor chips and as a carrier for the lines. About the Cables can Signals are passed to an evaluation.

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.In a cheap one Embodiment, the insulating layers have electrically conductive Via contacts, which are preferably provided at areas which are each a current measuring resistor in the sensor plate assigned. This can, conveniently a current flow over the current measuring resistors from an insulating layer to the opposite insulating layer run.

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.Prefers are the Sersor tiles Microsystem-technically manufactured: It succeeds in a simple way, that the sensor plates in the sensor plate for the simultaneous detection of temperature and Pressure are formed.

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 a cheap one Embodiment are the insulating layers of at least one Material of the group polyimide, epoxy, glass fiber reinforced epoxy, elastic potting compound, formed. In particular, the polyimide in the form of a marketed under the brand name Kapton DuPont Foil provided, something higher Operating temperatures of over 200 ° C allows. As glass fiber reinforced Epoxy is a FR4 material favorable, at a lower operating temperature of at most about 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 a cheap one Embodiment are the sensor chips made of silicon and / or a silicon-containing Material formed. The measuring resistors are preferably made of a defined doped silicon manufactured. In an advantageous development is half the sensor plate with current measuring resistors occupied. Then it is cheap, though the specific resistance of the current measuring resistors in each case at most the half the resistivity of the electrode material of the fuel cell is. Furthermore, it is then favorable if the current sense resistors at the most be subjected to a current density, which is about twice the ma ximal current density of the electrode material corresponds. It can too other suitable materials than silicon can be used.

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 a preferred embodiment corresponds to the thickness of the sensor plate with its insulating layers at most the thickness of a cathode plate or anode plate. A preferred thickness of the insulating layers is at most 100 μm, preferably at most 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.In a cheap one Embodiment comprises the sensor plate respectively. at least a hundred Sensor chips of every kind. A miniaturization of the Sensor chips by an order of magnitude, so that at least a thousand sensor chips of any kind can be provided can. The sensor chips can like a matrix in a plane be arranged side by side, bringing with it an advantageous spatial resolution the detection of the operating parameters over the surface of the fuel cell is possible.

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 zeigenFurther Embodiments and aspects of the invention will be independent of a summary in the claims without limitation of the Generality explained in more detail below with reference to a drawing. there demonstrate

1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels mit einer Sensorplatte; 1 a schematic diagram of a fuel cell stack according to the invention with a sensor plate;

2 eine Prinzipskizze einer bevorzugten Sensorplatte. 2 a schematic diagram of a preferred sensor plate.

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. 1 shows a simplified illustration of a fuel cell stack 10 with a variety of in a longitudinal direction 26 stacked plate-shaped fuel cells 11 . 12 , The membranes of neighboring fuel cells 11 . 12 are each through a bipolar plate 25 separated. The function of a bipolar plate 25 is well known and will therefore not be further explained. Each bipolar plate 25 is preferably formed by a cathode plate, not expressly designated, and an anode plate not expressly designated, which are joined to their plate major surfaces, with, for example, the anode plate being the anode of the one fuel cell 11 and the cathode side to the cathode of the other fuel cell 12 is directed. One of the bipolar plates 25 is as a sensor plate 13 configured for acquiring operating data of at least one of the fuel cells 11 . 12 in the fuel cell stack 10 is integrated.

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. 2 shows a preferred embodiment of a sensor plate 13 for recording operating data of fuel cells. Between two insulating layers 16 . 17 the sensor plate 13 is a plurality of sensor chips 18 ; 19 arranged flat, with two varieties of sensor chips 18 . 19 are provided. The sensor chips 18 . 19 can form a matrix-like arrangement. One species is through current sense resistors 18 , in particular from defined doped silicon, and the other type by sensor plates preferably made by microsystem technology methods 19 formed for detecting pressure and / or temperature, which are also preferably made of silicon. Conveniently, the material should be for the sensor chips 18 . 19 be tough enough to keep those in the fuel cell stack 10 to tolerate occurring mechanical loads. A typical value in the fuel cell stack 10 acting force is minimally about 0.3 × 10 6 Pa to a maximum of about 6 × 10 6 Pa. The minimum value comes when the fuel cells 11 . 12 be compressed in the stack so that a sufficient tightness for the media within the fuel cell stack 10 can be achieved. The maximum Value is the maximum value for the strength of the arrangement.

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.The sensor plate 13 is exemplary in a cathode plate 25 used, which is rebuilt accordingly, but can basically at any point in the stack 10 be inserted. For this purpose, the usual flow field contour of the cathode plate is expediently removed, with which, for example, air is conducted as operating fluid in channels separated by webs to the fuel cell membrane. For example, the flow field contour is milled out and any passageways for operating fluid are closed. The edge is an outlet channel 15 for unrecognizable lines created on one or both of the electrically insulating layers 16 . 17 are formed. From the original cathode plate remains essentially an edge left to stabilize the sensor plate 13 can be used: The surface of the sensor plate 13 corresponds to that of a bipolar plate 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.The insulating layers 16 . 17 have electrically conductive vias 20 . 21 on that in areas 23 . 24 are arranged, which each have a current measuring resistor 18 in the sensor plate 13 assigned. The vias 20 . 21 serve for electrical contacting of the device. The layers 16 . 17 have additional contact surfaces for virtually current-free detection of the voltage drop in the current measuring resistors 18 , which are preferably formed by electrically conductive silicon platelets. The specific resistance of the material from which the current sense resistors 18 is about 10 -4 Ωm, preferably slightly less than half of the specific resistance of the electrode material used in the fuel cell 11 . 12 , provided half the area of the sensor plate 13 with current measuring resistors 18 are occupied. The current measuring resistors 18 are applied with a current density of about 5 to 20 A / mm 2 , which corresponds to about twice the current density of the electrode material of the fuel cell, provided about half of the area with current measuring resistors 18 and 50% of the material remains in the original flow field.

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.The electrical potentials of the additional contact surfaces with which the current measuring resistors 18 are contacted together with the signals of the sensor plates 19 over on the insulating layers 16 . 17 formed conductor tracks laterally of the flow field area through the edge-side outlet channel 15 led to the outside of a not shown evaluation.

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.The upper and lower insulating layer 16 . 17 the sensor plate 13 is preferably a self-supporting film and is formed, for example, by a folded polyimide film, wherein the sensor chips 18 . 19 be inserted in between.

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.The sensor plates 19 can be bonded or electrically conductive or soldered or otherwise on the insulating layers formed as a foil 16 . 17 be attached. The current measuring resistors 18 become electrically conductive with the vias 20 . 21 connected. A current flow across the current sense resistors 18 runs from an insulating layer 16 to the opposite insulating layer 17 or the other way around.

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.The sensor plates 19 in the sensor plate 13 are designed for the simultaneous detection of temperature and pressure. Advantageously, the current measured values of the current measuring resistors 18 and the pressure values of the sensor plates 19 temperature compensated. This can be done with appropriate area coverage with sensor chips 18 . 19 also over the sensor plate 13 locally resolved.

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.Preferably, the thickness of the sensor plate corresponds 13 with their insulating layers 16 . 17 at most the usual thickness of a cathode plate or anode plate. At the thickest points of the sensor plate 13 this corresponds to a usual maximum thickness of about 1.2 mm. Advantageously, the thickness is selected so that sealing measures can be taken, so that a preferred thickness of the sensor plate 13 is about 1-1.2 mm. A favorable thickness of the insulating layer 16 . 17 is less than 100 microns, preferably about 75 microns.

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.With a size of the sensor chips 18 . 19 of about 1 cm 2 , with a typical area of fuel cells of about 200 cm 2 around 100 sensor chips 18 . 19 per variety in the sensor plate 13 be provided. The sensor chips 18 . 19 can also be made smaller, so that the number of sensor chips 18 . 19 increased accordingly, for example by an order of magnitude. As a result, the spatial resolution of the sensor plate increases accordingly 13 ,

1010
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
1111
Brennstoffzellefuel cell
1212
Brennstoffzellefuel cell
1313
Sensorplattesensor plate
1414
Rand Kathodenplatteedge cathode plate
1515
Austrittskanaloutlet channel
1616
isolierende Schichtinsulating layer
1717
isolierende Schichtinsulating layer
1818
StrommesswiderstandCurrent sense resistor
1919
Sensorplättchensensor pad
2020
Durchkontaktierungvia
2121
Durchkontaktierungvia
2323
BereichArea
2424
BereichArea
2525
Bipolarplattebipolar
2626
Längsrichtunglongitudinal direction

Claims (17)

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.Device for detecting operating data of at least one fuel cell ( 11 . 12 ) in a fuel cell stack ( 10 ), in which a sensor plate ( 13 ) into the fuel cell stack ( 10 ), characterized in that sensor chips ( 18 . 19 ) of the sensor plate ( 13 ) between two insulating layers ( 16 . 17 ) are arranged. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplatte (13) wenigstens zwei Sorten Sensorchips (18; 19) aufweist.Device according to claim 1, characterized in that the sensor plate ( 13 ) at least two types of sensor chips ( 18 ; 19 ) having. 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.Apparatus according to claim 2, characterized in that a variety by current measuring resistors ( 18 ) and the other sort by sensor plates ( 19 ) is formed for detecting pressure and / or temperature. 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.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that along at least one of the insulating layers ( 16 . 17 ) electrical leads to the outer edge of the sensor plate ( 13 ) are guided. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierenden Schichten (16, 17) elektrisch leitende Durchkontaktierungen (20, 21) aufweisen.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the insulating layers ( 16 . 17 ) electrically conductive vias ( 20 . 21 ) exhibit. 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.Device according to claim 5, characterized in that the plated-through holes ( 20 . 21 ) on areas ( 23 . 24 ) are provided, which in each case a current measuring resistor ( 18 ) in the sensor plate ( 13 ) assigned. 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.Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that a current flow through the current sense resistors ( 18 ) of an insulating layer ( 16 ) to the opposite insulating layer ( 17 ) runs. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplättchen (19) mikrosystemtechnisch gefertigt sind.Device according to at least one of claims 3 to 7, characterized in that the sensor plates ( 19 ) are made microsystem technology. 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.Device according to at least one of claims 3 to 8, characterized in that the sensor plates ( 19 ) in the sensor plate ( 13 ) are designed for the simultaneous detection of temperature and pressure. 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.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the insulating layers ( 16 . 17 ) are formed from at least one material of the group polyimide, epoxy, glass fiber reinforced epoxy, elastic potting compound. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorchips (18, 19) aus Silizium und/oder einem siliziumhaltigen Werkstoff gebildet ist.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sensor chips ( 18 . 19 ) is formed of silicon and / or a silicon-containing material. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hälfte der Sensorplatte (13) mit Strommesswiderständen (18) belegt ist.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that half of the sensor plate ( 13 ) with current measuring resistors ( 18 ) is occupied. 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.Apparatus according to claim 12, characterized in that the resistivity of the current measuring resistors ( 18 ) is at most half the specific resistance of the electrode material of the fuel cell. 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.Apparatus according to claim 12 or 13, characterized in that the current measuring resistors ( 18 ) can be acted upon at most with a current density which corresponds approximately to twice the maximum current density of the electrode material. 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.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the sensor plate ( 13 ) with their insulating layers ( 16 . 17 ) at most equal to the thickness of a cathode plate or anode plate. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplatte (13) jeweils mindestens 100 Sensorchips (18, 19) jeder Art umfasst. Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sensor plate ( 13 ) at least 100 sensor chips ( 18 . 19 ) of any kind. 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.Fuel cell stack with a device for acquiring operating data of at least one fuel cell ( 11 . 12 ) in a fuel cell stack ( 10 ), in which at least one sensor plate ( 13 ) into the fuel cell stack ( 10 ) is integrated according to at least one of the preceding claims, characterized in that sensor chips ( 18 . 19 ) of the sensor plate ( 13 ) between two insulating layers ( 16 . 17 ) are arranged.
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