DE102016120574A1

DE102016120574A1 - System und Verfahren zum Bestimmen des Feuchtegehalts einer quellfähigen Membran

Info

Publication number: DE102016120574A1
Application number: DE102016120574.5A
Authority: DE
Inventors: Rune Staeck
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-10-27
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2018-05-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (60) zum Ermitteln einer Membranfeuchte mit einer quellfähigen Membran (14, 43), die eine erste Hauptoberfläche (65) und eine der ersten Hauptoberfläche (65) gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche (66) aufweist. Über der ersten Hauptoberfläche (65) ist ein Kraftsensor (61) angeordnet, über dem Kraftsensor (61) ist ein erstes Spannelement (62) angeordnet und über der zweiten Hauptoberfläche (66) ist ein zweites Spannelement (63) angeordnet. Erfindungsgemäß sind das erste Spannelement (62) und das zweite Spannelement (63) dafür eingerichtet, die Membran (14, 43) und den Kraftsensor in der Normalenrichtungen der Hauptoberflächen (65, 66) einzuspannen. Somit wird ein Aufquellen der Membran (14, 43) durch die Spannelemente (62, 63) verhindert, so dass die Aufnahme von Feuchtigkeit durch die Membran zum Ansteigen eines Quelldrucks der Membran (14, 43) führt, der mittels des Kraftsensors (61) als Druckkraft erfasst wird. Anhand der erfassten Druckkraft kann somit auf den Feuchtegehalt der Membran (14, 43) und von diesem auf die relative Feuchte eines die Membran (14, 43) umgebenden Betriebsmittels geschlossen werden. Das erfindungsgemäße System (60) ist bevorzugt in einem Brennstoffzellensystem (100) angeordnet und bei der quellfähigen Membran handelt es sich besonders bevorzugt um eine Polymerelektrolytmembran (14) einer Brennstoffzelle (11), um die Befeuchtermembran (43) eines Befeuchters (40) oder um eine zu diesen Membranen ähnliche oder identische und zusätzlich in das Brennstoffzellensystem (100) eingebrachte Membran.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Bestimmen des Feuchtegehalts einer quellfähigen Membran sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen System. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln des Feuchtegehalts einer quellfähigen Membran sowie ein Verfahren zum Ermitteln des Feuchtegehalts eines Betriebsmittels eines Brennstoffzellensystems.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zum Erzeugen elektrischer Energie. Hierfür weisen Brennstoffzellen als Kernkomponente eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA - membrane electrode assembly) mit einer Membran-Elektroden-Einheit auf. Letztere wird durch eine protonenleitende Membran gebildet, an der beidseitig katalytische Elektroden angeordnet sind. Dabei trennt die Membran den der Anode zugeordneten Anodenraum und den der Kathode zugeordneten Kathodenraum gasdicht voneinander und isoliert diese elektrisch. Auf den nicht der Membran zugewandten Seiten der Elektroden können zudem Gasdiffusionslagen angeordnet sein.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird ein wasserstoffhaltiges Anodenbetriebsmedium der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen erfolgt. Über die elektrolytische Membran erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der Protonen H⁺aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird ein sauerstoffhaltiges Betriebsmedium zugeführt, sodass dort eine Reduktion von O₂ zu O₂ ^- unter Aufnahme der Elektronen erfolgt. Diese Sauerstoffanionen reagieren im Kathodenraum mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
Eine Brennstoffzelle ist in der Regel durch eine Vielzahl in einem Brennstoffzellenstapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen sind üblicherweise Bipolarplatten angeordnet, die eine Versorgung der einzelnen MEA mit den Reaktanten und einer Kühlflüssigkeit sicherstellen sowie als elektrisch leitfähiger Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen fungieren. An beiden Enden des Brennstoffzellenstapels sind Abschlussplatten oder Monopolarplatten angeordnet, um ihn zusammenzuhalten und die Stapelkomponenten zusammenzupressen. Der Pressdruck trägt zur Abdichtung des Stapels bei und stellt einen adäquaten elektrischen Kontakt zwischen den Stapelkomponenten sicher.
Den Kathodenelektroden wird über ein kathodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten, ein sogenanntes Kathodenbetriebsmedium, insbesondere Sauerstoff (O₂) oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, zum Beispiel Luft, zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter einer Aufnahme von Elektronen stattfindet (1/2O₂ + 2e^- → O^2-). Gleichzeitig reagieren an den Kathodenelektroden gebildete Sauerstoffanionen (O^2-) mit den durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten hindurch transportierten Protonen unter einer Bildung von Wasser (2H⁺ + O^2- → H₂O).
Die Versorgung der Brennstoffzellen mit ihren Betriebsmedien (Betriebsmitteln), also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die einen Brennstoffzellenstapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Flussfelder der Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden; einer zum Zuführen und einer zum Abführen des jeweiligen Betriebsmediums. Jede Membran-Elektroden-Anordnung und jede Bipolarplatte weist Betriebsmitteldurchgangsöffnungen zum Ausbilden der Hauptversorgungskanäle auf.
Um den Brennstoffzellenstapel mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist dieser eine Anodenversorgung und eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung weist einen Anodenversorgungspfad für ein Zuführen des Anodenbetriebsmediums zu einem Anodeneinlasskanal und einen Anodenabgaspfad für ein Abführen eines Anodenabgases aus einem Anodenablasskanal auf. Analog weist die Kathodenversorgung einen Kathodenversorgungspfad für ein Zuführen des Kathodenbetriebsmediums zu einem Kathodeneinlasskanal und einen Kathodenabgaspfad für ein Abführen eines Kathodenabgases aus einem Kathodenablasskanal auf. Die Ein- und Auslasskanäle des Brennstoffzellenstapels gehen in die entsprechenden Hauptversorgungskanäle über oder sind ein Teil von diesen.
Brennstoffzellensysteme weisen ferner zumindest einen Befeuchter zum Befeuchten des trockenen Kathodenbetriebsmediums (Zuluft) auf, mittels dem Feuchtigkeit aus dem Kathodenabgas (Abluft) an das Kathodenbetriebsmedium übertragen wird. Das Befeuchten ist notwendig, um eine hohe Leistungsdichte und Lebensdauer der Brennstoffzellen zu gewährleisten. Insbesondere die Polymerelektrolytmembranen müssen einen bestimmten Feuchtigkeitsgehalt aufweisen, um eine ausreichende lonenleitfähigkeit zu gewährleisten. Gleichzeitig ist ein zu hoher Feuchtigkeitsgehalt des Betriebsmediums jedoch ebenfalls nachteilig. Insbesondere Ansammlungen von Flüssigwasser können zu Blockaden der Betriebsmittelversorgung und somit zu einem Absinken der Leistungsdichte führen.
Während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels ist es ferner notwendig, die Stöchiometrie des zugeführten Anoden- und Kathodenbetriebsmediums entsprechend einer aktuellen Leistungsanfrage möglichst gezielt einstellen zu können. Die als Kathodenbetriebsmedium eingesetzte Luft enthält neben den Hauptkomponenten Sauerstoff, Stickstoff und Argon spätestens nach dem Durchströmen des Befeuchters auch einen signifikanten Anteil von Wasser in flüssiger und gasförmiger Form. Die Menge des in der Luft enthaltenen Wassers, mit anderen Worten die Feuchtigkeit des Kathodenbetriebsmediums, muss daher bekannt sein, um die Stöchiometrie des Brennstoffzellenstapels mit hoher Genauigkeit steuern zu können.
Es ist daher notwendig den Feuchtigkeitsgehalt der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Zuluft zu überwachen und zu steuern. Gemäß dem Stand der Technik werden dezidierte Feuchtigkeitssensoren eingesetzt, um den Wassergehalt beziehungsweise die Feuchtigkeit des Kathodenbetriebsmediums zu bestimmen. Dies erhöht jedoch den Stromverbrauch, die Komplexität und den Bauraumbedarf der Brennstoffzellensysteme und wirkt sich somit nachteilig auf deren Effektivität aus. Ebenfalls bekannt sind Berechnungsmodelle, mittels denen anhand verschiedener Parameter des Brennstoffzellensystems auf den Feuchtegehalt eines Betriebsmediums geschlossen werden kann. Während der Entwicklung von Brennstoffzellen spielt zudem die gravimetrische Bestimmung der Membranfeuchte eine Rolle, die jedoch während des Betriebs eines Brennstoffzellensystems nicht möglich ist.
Aus der DE 39 11 812 A1 ist bekannt, eine Polymerschicht als Feuchtigkeitssensor einzusetzen. Dabei wird ausgenutzt, dass eine sulfonierte Polymerschicht in Abhängigkeit einer Umgebungsfeuchte Wassermoleküle in ihr Gefüge einbaut. Insbesondere wird dabei Wasser an Sulfongruppen der Polymerschicht angelagert. Dadurch variiert die Polarisierbarkeit des Polymers, wodurch ein solcher Sensor kapazitiv oder resistiv betrieben werden kann.
Gemäß einem in der DE 102013021627 A1 offenbarten Verfahren wird ausgenutzt, dass eine Polymermembran in Abhängigkeit ihrer Feuchte anschwillt und umso weniger Gasdiffusion durch die Membran erfolgt, je stärker sie angeschwollen ist. Somit kann von der Zeit in der sich eine Druckdifferenz zwischen Anode und Kathode über die Membran abbaut auf deren Feuchtigkeitsgehalt geschlossen werden. Nachteilig tragen dabei Undichtigkeiten im gesamten Brennstoffzellensystem zum Druckabbau bei, was die Genauigkeit des Verfahrens verringert.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine alternative Lösung zum Ermitteln des Feuchtegehalts einer Membran sowie eines Betriebsmittels eines Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein System zum Ermitteln einer Membranfeuchte gemäß dem Hauptanspruch. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen System zum Ermitteln einer Membranfeuchte, durch ein Verfahren zum Ermitteln des Feuchtegehalts einer quellfähigen Membran und durch ein Verfahren zum Ermitteln des Feuchtegehalts des Betriebsmittels eines Brennstoffzellensystem gemäß den jeweils unabhängigen Patentansprüchen.
Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein System zum Ermitteln einer Membranfeuchte, aufweisend eine quellfähige Membran mit einer ersten Hauptoberfläche und einer der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche. Die Membran ist insbesondere flächig ausgedehnt und trennt einen an die erste Hauptoberfläche grenzenden ersten Raumbereich von einem an die zweite Hauptoberfläche grenzenden zweiten Raumbereich. Quellfähig bezeichnet hierin, dass sich die Membran durch Aufnahme von Feuchtigkeit, insbesondere Wasser, ausdehnen und ihr Volumen vergrößern kann. Erfindungsgemäß ist über der ersten Hauptoberfläche ein Kraftsensor angeordnet. Der Kraftsensor ist dabei so ausgebildet und so über der ersten Hauptoberfläche der Membran angeordnet, dass er eine von der Membran ausgeübte Kraft, beispielsweise Druckkraft, erfassen kann.
Das erfindungsgemäße System weist ferner ein erstes und ein zweites Spannelement auf, wobei das erste Spannelement über dem Kraftsensor angeordnet ist und wobei das zweite Spannelement über der zweiten Hauptoberfläche der Membran angeordnet ist. Der Kraftsensor ist somit zwischen dem ersten Spannelement und der ersten Hauptoberfläche der Membran angeordnet. Das erste Spannelement und das zweite Spannelement sind erfindungsgemäß dafür eingerichtet, die Membran und den Kraftsensor in Normalenrichtung der Hauptoberflächen einzuspannen. Mittels des Einspannens wird verhindert, dass sich ein Volumen der Membran aufgrund von Wassereinlagerung vergrößert. Somit baut sich bei Einlagerung von Wasser in die Membran ein Quelldruck auf, der mittels des Kraftsensors als Druckkraft erfassbar ist.
Das erste Spannelement ist dafür eingerichtet eine der Normalenrichtung der ersten Hauptoberfläche entgegen gerichtete Zwangskraft zu erzeugen, welche einer Translation des Kraftsensors in Normalenrichtung der ersten Hauptoberfläche entgegen wirkt. Bevorzugt ist das erste Spannelement dafür eingerichtet, eine Translation des Kraftsensors in Normalenrichtung der ersten Hauptoberfläche vollständig zu verhindern. Das zweite Spannelement ist dafür eingerichtet, eine der Normalenrichtung der zweiten Hauptoberfläche entgegen gerichtete Zwangskraft zu erzeugen, welche einer Ausdehnung der Membran in Normalenrichtung der zweiten Hauptoberfläche entgegen wirkt. Bevorzugt ist das zweite Spannelement dafür eingerichtet, eine Ausdehnung der Membran in eine Normalenrichtung der zweiten Hauptoberfläche vollständig zu verhindern. Die Normalenrichtungen stehen dabei senkrecht auf der jeweiligen Hauptoberfläche und die erste und zweite Normalenrichtung sind antiparallel.
In dem erfindungsgemäßen System ist die Membran durch das erste Spannelement, das zweite Spannelement und den Kraftsensor derart eingespannt, dass ein Quellen der Membran zumindest im Wesentlichen verhindert wird. Nimmt die Membran dennoch Wasser auf, so führt dies zum Entstehen eines Quelldrucks. Dieser Quelldruck wirkt gegen den zwischen der Membran und dem ersten Spannelement angeordneten Kraftsensor sowie gegen das zweite Spannelement. Der Quelldruck erzeugt eine auf eine Fläche eines aktiven Elements des Kraftsensors (aktive Fläche) wirkende und mittels des Kraftsensors erfassbare Quellkraft. Es hat sich gezeigt, dass der Quelldruck (bei fester aktiver Fläche des Sensors auch die Quellkraft) proportional zu der von der Membran aufgenommenen Feuchtigkeitsmenge ist. Die Reproduzierbarkeit dieser Abhängigkeit wird gewährleistet, indem die Spannelemente ein Ausweichen der eingespannten Membran und eine Translation des Kraftsensors unterbinden. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße System das Ermitteln einer Membranfeuchte anhand der erfassten Quellkraft bzw. des Quelldrucks einer eingespannten quellfähigen Membran.
Bevorzugt weist das erste Spannelement eine erste Anpressfläche auf, die unmittelbar an dem Kraftsensor anliegt und weist das zweite Spannelement eine zweite Anpressfläche auf, die unmittelbar an der zweiten Hauptoberfläche der Membran anliegt. Der Kraftsensor liegt bevorzugt an der ersten Hauptoberfläche der Membran an. Ebenfalls bevorzugt ist die erste Anpressfläche planparallel zu der zweiten Anpressfläche. Alternativ können zusätzlich Lagen oder Schichten, insbesondere starre und inkompressible Lagen oder Schichten, zwischen den Anpressflächen und der zweiten Hauptoberfläche der Membran und/oder dem Kraftsensor angeordnet sein. Ebenfalls bevorzugt ist zwischen dem zweiten Spannelement und der zweiten Hauptoberfläche der Membran ein zweiter Kraftsensor angeordnet.
In einer ferner bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems weisen das erste Spannelement und das zweite Spannelement in Normalenrichtung der Hauptoberflächen einen Abstand auf, welcher der Summe der Ausdehnungen der trockenen Membran und des Kraftsensors in Normalenrichtung der Hauptoberflächen zumindest im Wesentlichen entspricht. Somit ist der Kraftsensor bei trockener Membran weitgehend druck- bzw. kraftfrei. Dies ermöglicht ein exaktes Eichen des erfindungsgemäßen Systems. Ebenfalls bevorzugt kann der Abstand des ersten Spannelements und des zweiten Spannelements in Normalenrichtung der Hauptoberflächen geringfügig kleiner sein, als die Summe der Ausdehnungen der trockenen Membran und des Kraftsensors in Normalenrichtung der Hauptoberflächen. Somit sind die Membran und der Kraftsensor stets sicher eingespannt und ein lateraler Versatz des Kraftsensors kann vermieden werden. Gemäß dieser Ausführungsform ist aufgrund der Vorspannung ein geringer Bias von jeder mit dem Kraftsensor erfassten Kraft abzuziehen.
Besonders bevorzugt sind das erste Spannelement und das zweite Spannelement über einen Abstandshalter miteinander verbunden und weisen einen festen Abstand in Normalenrichtung der Hauptoberflächen zueinander auf. Vorteilhaft werden gemäß dieser Ausführungsform Druckschwankungen zwischen dem ersten und dem zweiten Spannelement, die nicht auf ein Quellen der Membran zurückzuführen sind, zumindest weitgehend unterbunden. In einer beispielhaften Ausführungsform bilden die Spannelemente und der Abstandshalter gemeinsam eine Federklemme. Dabei weisen die Spannelemente in einer Neutrallage der Federklemme einen Abstand auf, welcher der Summe der Ausdehnungen von Membran und Kraftsensor in Normalenrichtung im Wesentlichen entspricht. Alternativ sind die Spannelemente und der Abstandshalter lösbar miteinander verbunden, beispielsweise über eine Gewindestange mit Mini- oder Nanogewinde, und/oder ist der Abstand zwischen den Spannelementen einstellbar.
In einer alternativ bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist über der ersten Hauptoberfläche ein erstes Plattenelement, besonders bevorzug eine erste Bipolarplatte, angeordnet und ist über der zweiten Hauptoberfläche ein zweites Plattenelement, besonders bevorzugt eine zweite Bipolarplatte, angeordnet. Besonders bevorzugt ist dabei das erste Spannelement als Teil des ersten Plattenelements, insbesondere der ersten Bipolarplatte, ausgebildet und ist das zweite Spannelement als Teil des zweiten Plattenelements, insbesondere der zweiten Bipolarplatte, ausgebildet. Bevorzugt weist das erste Spannelement dabei eine Anpressfläche auf, die an dem Kraftsensor anliegt und weist das zweite Spannelement eine zweite Anpressfläche auf, die an der zweiten Hauptoberfläche der Membran anliegt. Die Anpressflächen sind bevorzugt getrennt von anderen Funktionsbereichen des Plattenelements ausgebildet. Im Beispiel der Bipolarplatte sind die Anpressflächen beispielsweise getrennt von den Flussfeldern ausgebildet. Die Anpressflächen sind bevorzugt als gegenüberliegende, flächengleiche und ebene Flächen der Bipolarplatten ausgebildet. Neben den Bipolarplatten kann es sich bei den Plattenelementen auch um in einem Befeuchter angeordnete Bipolarplatten handeln, welche zum Einspannen zumindest einer Befeuchtermembran ausgebildet sind.
Besonders bevorzugt weisen die Plattenelemente innenliegenden Durchgangsöffnungen auf, wobei die Durchgangsöffnungen zweier übereinander angeordneter Plattenelemente so fluchten, dass ein Versorgungskanal ausgebildet ist. Im Beispiel einer Bipolarplatte handelt es sich dabei insbesondere um Betriebsmitteldurchgangsöffnungen beziehungsweise Hauptversorgungskanäle, wie einleitend beschrieben. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Spannelemente beziehungsweise deren Anpressflächen nahe einer Durchgangsöffnung beziehungsweise Betriebsmitteldurchgangsöffnung des jeweiligen Plattenelements angeordnet. Ebenfalls bevorzugt steht die Membran in einer Richtung senkrecht zu den Normalenrichtungen der Hauptoberflächen über einen Randbereich der Durchgangsöffnung über. Mit anderen Worten ragt die Membran in einen Versorgungskanal hinein. Somit kann mit dem erfindungsgemäßen System der Feuchtigkeitsgehalt in dem Versorgungskanal gemessen werden.
Handelt es sich bei den Plattenelementen um Bipolarplatten ist das erste Spannelement bevorzugt in einem Verteilerbereich der ersten Bipolarplatte angeordnet und ist das zweite Spannelement bevorzugt in einem Verteilerbereich der zweiten Bipolarplatte angeordnet. Somit kann das erfindungsgemäße System zum Ermitteln des Feuchtegehalts eines Betriebsmittels eingesetzt werden, ohne in einem aktiven Bereich der Bipolarplatte angeordnet zu sein.
Wie bereits einleitend erwähnt, ist ein Brennstoffzellenstapel in der Regel verpresst, um ihn zusammenzuhalten und die Stapelkomponenten zusammenzupressen. Der Pressdruck trägt zudem zur Abdichtung des Stapels bei und stellt einen adäquaten elektrischen Kontakt zwischen den Stapelkomponenten sicher. Bevorzugt bewirkt der Pressdruck des Stapels gemäß dieser Ausführungsform zudem das Einspannen von Membran und Kraftsensor zwischen den als Teil der Bipolarplatten ausgebildeten ersten und zweiten Spannelementen. Somit kann vorteilhaft die Membranfeuchte unmittelbar im Inneren des Stapels ermittelt werden. Zudem ist der für das erfindungsgemäße System benötigte Bauraum reduziert, da dieses direkt in bestehende Stapelkomponenten integriert ist. Der Kraftsensor ist dabei das einzige zusätzlich hinzugefügte Element. Es ist bekannt, dass die Polymerelektrolytmembranen eines Brennstoffzellenstapels während dessen Betrieb zyklisch an- und abschwellen. Dies wird auch als „breathing“ des Brennstoffzellenstapels bezeichnet. Um den Einfluss benachbarter Brennstoffzellen beziehungsweise Polymerelektrolytmembranen auf das erfindungsgemäße System zu verringern, muss ein entsprechendes Signal, beispielsweise in Form zyklischer Druckschwankungen, von einem mit dem Kraftsensor erfassten Signal abgezogen werden.
Bei der Membran handelt es sich bevorzugt um eine Polymermembran, insbesondere um eine sulfonierte PFTE Membran, beispielsweise um eine Nafion© Membran. Somit kann es sich bei der Membran bevorzugt um eine Polymerelektrolytmembran handeln, wie sie regelmäßig in Brennstoffzellen eingesetzt werden. Ebenfalls bevorzugt handelt es sich bei der Membran um eine in einem Brennstoffzellensystem angeordnete sulfonierte PFTE Membran, besonders bevorzugt um eine in einer Brennstoffzelle angeordnete sulfonierte PFTE Membran. In einer alternativen Ausführungsform handelt es sich bei der Membran um eine wasserdampfpermeable Befeuchtermembran, das heißt um eine Membran, wie sie regelmäßig in Befeuchtern von Brennstoffzellensystem eingesetzt werden. Ebenfalls bevorzugt handelt es sich bei der Membran um eine in einem Brennstoffzellensystem angeordnete Befeuchtermembran, besonders bevorzugt um eine in einem Befeuchter angeordnete Befeuchtermembran. Alternativ sind die Membranen unabhängig von bestehenden Bauteilen in einem Brennstoffzellensystem angeordnet. Die quellfähige Membran weist bevorzugt eine Dicke zwischen 5 µm und 200 µm, besonders bevorzugt zwischen 10 µm und 100 µm und ebenfalls bevorzugt zwischen 25 µm und 75 µm auf. Besonders bevorzugt weist die quellfähige Membran eine Dicke zwischen 10 µm und 30 µm auf.
Bei dem Kraftsensor handelt es sich bevorzugt um einen Piezosensor, einen Silizium-Mikro-Kraftsensor, einen mikromechanischen Kraftsensor oder einen Mikrotaster. Regelmäßig in Brennstoffzellen oder Befeuchtern von Brennstoffzellensystemen eingesetzte Membrane weisen in der Regel feuchtebasierte Schwankung ihrer Dicke beziehungsweise ihrer Ausdehnung in Normalenrichtung der Hauptoberflächen im Bereich von 1 % bis 10 % ihrer Dicke im trockenen Zustand auf. Dabei bezeichnet der trockene Zustand einen Zustand in dem der Feuchtegehalt der Membran zumindest im Wesentlichen gleich Null ist. Auf Basis der bevorzugten Dicken der Membran sollte der Kraftsensor daher dazu ausgebildet sein Quellkräfte zu detektieren beziehungsweise aufzulösen, die einer Expansion der Membran in Normalenrichtung der Hauptoberflächen zwischen 0,05 µm und 2 µm, bevorzugt 0,1 µm und 1 µm, ebenfalls bevorzugt 0,25 µm und 0,75 µm und besonders bevorzugt 0,1 µm und 0,3 µm entsprechen. Dabei führt das Erhöhen der aktiven Sensorfläche bei gleichem Quelldruck zur Steigerung der Sensitivität des Kraftsensors.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen System zum Ermitteln einer Membranfeuchte, wie vorstehend beschrieben. Bei dem Brennstoffzellensystem handelt es sich bevorzugt um ein aus dem Stand der Technik bekanntes Brennstoffzellensystem, in dem ein erfindungsgemäßes System zum Ermitteln einer Membranfeuchte angeordnet ist. Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Brennstoffzellensystem ist beispielhaft in 1 beschrieben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße System als komplett eigenständiges Messsystem in der Anodenversorgung oder in der Kathodenversorgung des Brennstoffzellensystems angeordnet. Dabei integriert das erfindungsgemäße System eine zusätzliche quellfähige Membran in das Brennstoffzellensystem. Dabei ähnelt oder gleicht die integrierte quellfähige Membran vorzugsweise einer bereits in dem Brennstoffzellensystem enthaltenen quellfähigen Membran. Besonders bevorzugt weist die zusätzliche quellfähige Membran das gleiche Material und die gleiche Dicke auf, wie eine bereits in dem Brennstoffzellensystem vorhandene quellfähige Membran. Das erfindungsgemäße System kann somit vorteilhaft als eigenständiges Messsystem in bestehende Brennstoffzellensysteme nachgerüstet werden.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße System in einen Befeuchter eines Brennstoffzellensystems integriert. Insbesondere ist das erfindungsgemäße System in einen in der Kathodenversorgung eines Brennstoffzellensystems angeordneten Befeuchter integriert. Die Befeuchtermembran ist somit gleichzeitig die quellfähige Membran des erfindungsgemäßen Systems. Das erfindungsgemäße System kann dabei ausgebildet werden, indem ein Kraftsensor mittels eines ersten und eines zweiten Spannelements an der Befeuchtermembran fixiert wird. Erfindungsgemäß ist der Kraftsensor dabei zwischen der Befeuchtermembran und dem ersten Spannelement und ist die Befeuchtermembran zwischen dem Kraftsensor und dem zweiten Spannelement angeordnet. Mittels des erfindungsgemäßen Systems kann somit der Feuchtegehalt der Befeuchtermembran sowie der Feuchtegehalt eines die Befeuchtermembran kontaktierenden Kathodenbetriebsmittels ermittelt werden.
Ebenfalls bevorzugt handelt es sich bei den Spannelementen um in dem Befeuchter angeordnete Plattenelemente zum Einspannen der Befeuchtermembran. Die quellfähige Membran steht bevorzugt in einer Richtung senkrecht zu den Normalenrichtungen der Hauptoberflächen über die Plattenelemente über. Besonders bevorzugt weisen die Plattenelemente jeweils innenliegende Durchgangsöffnungen auf, die übereinander fluchtend angeordnet sind und von einem feuchten oder zu befeuchtenden Gasstrom durchströmt werden. Besonders bevorzugt steht ein Abschnitt der Membran über einen innenliegenden Randbereich der Plattenelemente über und ragt somit in eine solche Durchgangsöffnung hinein. Ebenfalls bevorzugt handelt es sich bei der Durchgangsöffnung um einen Teil einer Gasleitung für einen zu befeuchtenden Gasstrom.
In einer ferner bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße System in zumindest eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems integriert. Insbesondere ist das erfindungsgemäße System in zumindest eine in einem Brennstoffzellenstapel angeordnete Brennstoffzelle integriert. In diesem Fall ist die Polymerelektrolytmembran der zumindest einen Brennstoffzelle gleichzeitig die quellfähige Membran des erfindungsgemäßen Systems. Das erfindungsgemäße System kann dabei ausgebildet werden, indem ein Kraftsensor mittels eines ersten und eines zweiten Spannelements an der Polymerelektrolytmembran fixiert wird. Erfindungsgemäß sind der Kraftsensor dabei zwischen der Polymerelektrolytmembran und dem ersten Spannelement und die Polymerelektrolytmembran zwischen dem Kraftsensor und dem zweiten Spannelement angeordnet. In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform kann ein Brennstoffzellenstapel eine speziell für das erfindungsgemäße System vorgesehene Referenzmembran aufweisen, die nicht der Energieerzeugung dient.
Ebenfalls bevorzugt handelt es sich bei den Spannelementen um in dem Brennstoffzellenstapel angeordnete Plattenelemente, insbesondere um Bipolarplatten. Die quellfähige Membran steht bevorzugt in einer Richtung senkrecht zu den Normalenrichtungen der Hauptoberflächen über die Plattenelemente über. Besonders bevorzugt weisen die Plattenelemente jeweils innenliegende Betriebsmitteldurchgangsöffnungen zum Ausbilden von Hauptversorgungskanälen auf, und steht ein Abschnitt der Membran über einen innenliegenden Randbereich der Plattenelemente über und ragt somit in eine solche Betriebsmitteldurchgangsöffnung hinein.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Ermitteln des Feuchtegehalts einer quellfähigen Membran mit den Verfahrensschritten: Einspannen eines Kraftsensors und einer quellfähigen Membran zwischen einem ersten Spannelement und einem zweiten Spannelement; Erfassen einer von der quellfähigen Membran auf den Kraftsensor ausgeübten Druckkraft; und Ermitteln eines Feuchtegehalts der quellfähigen Membran anhand der erfassten Druckkraft. Mit anderen Worten besteht das erfindungsgemäße Verfahren in der Verwendung des erfindungsgemäßen Systems zum Ermitteln des Feuchtegehalts der Membran. Der erste Verfahrensschritt kann somit alternativ formuliert werden als: Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Systems zum Ermitteln einer Membranfeuchte. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorteilhaft die Membranfeuchte nur mittels eines Kraftsensors bestimmbar, indem eine intrinsische Eigenschaft der quellfähigen Membran ausgenutzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln des Feuchtegehalts einer quellfähigen Membran weist bevorzugt ferner den Verfahrensschritt auf: Vergleichen der erfassten Druckkraft mit einer Referenzdruckkraftfunktion und Ermitteln des Feuchtegehalts der Membran aus der Referenzdruckkraftfunktion. Die Referenzdruckkraftfunktion ist bevorzugt unter Laborbedingungen mittels eines identischen Systems, beispielsweise während der Entwicklung des erfindungsgemäßen Systems, erstellt worden. Die Referenzdruckkraftfunktion wurde dabei insbesondere anhand einer materialgleichen Referenzmembran gleicher Dicke und mit einem zum erfindungsgemäßen Verfahren identischen Kraftsensor und mit zum erfindungsgemäßen Verfahren identischen Spannelementen erstellt. Zum Erstellen der Referenzdruckkraftfunktion wurde zunächst ein bestimmter Feuchtegehalt der Referenzmembran eingestellt. Dazu wurde die Referenzmembran beispielsweise in ein thermodynamisches Gleichgewicht mit einem bestimmten Betriebsmittel, beispielsweise Luft, mit definierter relativer Feuchte gebracht. Anschließend wurde mittels des Kraftsensors eine von der Referenzmembran auf diesen ausgeübte Referenzdruckkraft erfasst. Zusätzlich wurde ein Referenzfeuchtegehalt mittels einer Referenzmessmethode, beispielsweise über das Messen der Impedanz der Membran oder mittels einer gravimetrischen Messung, erfasst. Schließlich wurde der so erfasste jeweilige Referenzfeuchtegehalt mit der jeweils erfassten Referenzdruckkraft korreliert.
Durch Wiederholen des oben beschriebenen Vorgangs für eine Vielzahl von Feuchtgehalten der Membran wurde schließlich die Referenzdruckkraftfunktion erstellt. Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln des Feuchtegehalts einer Membran kann anhand einer erfassten Druckkraft ein aktueller Feuchtegehalt der Membran aus der Referenzdruckkraftfunktion abgeleitet werden. In einer alternativen Ausführungsform wird die Membranfeuchte anhand eines Membranmodells und der erfassten Druckkraft bestimmt. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung kann die Membranfeuchte auf verschiedene Weise bestimmt sein, beispielsweise als relativer gravimetrischer Feuchtegehalt in g/cm³, als Wasseraktivität a=p_H2O/p^vap _H2O beziehungsweise als Verhältnis aus Wasserdampfpartialdruck in der Membran p_H2O zum Sättigungsdampfdruck reinen Wassers bei einer bestimmten Temperatur p^vap _H2O. Alternativ kann die Membranfeuchte als das Verhältnis von in der Membran vorhandenen Sulfonsäuregruppen zu tatsächlich von Wassermolekülen besetzten Sulfonsäuregruppen definiert sein.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Ermitteln der relativen Feuchtigkeit eines Betriebsmittels eines Brennstoffzellensystems mit den Verfahrensschritten: Anordnen eines erfindungsgemäßen Systems zum Ermitteln einer Membranfeuchte in dem Brennstoffzellensystem; Erfassen einer von der ersten quellfähigen Membran auf den Kraftsensor ausgeübten Druckkraft; Ermitteln eines Feuchtegehalts der quellfähigen Membran anhand der erfassten Druckkraft und Ermitteln einer relativen Feuchtigkeit eines die Membran umgebenden Betriebsmittels anhand des ermittelten Feuchtegehalts der Membran. Alternativ kann der erste Verfahrensschritt formuliert werden als Einspannen einer Polymerelektrolytmembran oder einer Befeuchtermembran des Brennstoffzellensystems und eines Kraftsensors mittels eines ersten und zweiten Spannelements.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln der relativen Feuchtigkeit eines Betriebsmittels eines Brennstoffzellensystems weist bevorzugt ferner den Verfahrensschritt auf: Vergleichen der erfassten Druckkraft mit einer Referenzdruckkraftfunktion und Ermitteln des Feuchtegehalts der Membran aus der Referenzdruckkraftfunktion. Zum Erstellen der Referenzdruckkraftfunktion wird auf obige Ausführungen verwiesen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln der relativen Feuchtigkeit eines Betriebsmittels eines Brennstoffzellensystems weist bevorzugt ferner den Verfahrensschritt auf: Vergleichen des ermittelten Feuchtegehalts der Membran mit einer Referenzfeuchtefunktion und Ermitteln der relativen Feuchtigkeit eines die Membran umgebenden Betriebsmittels anhand der Referenzfeuchtefunktion.
Die Referenzfeuchtefunktion ist bevorzugt unter Laborbedingungen und unter Verwendung eines identischen Systems zum Ermitteln einer Membranfeuchte erstellt worden. Die Referenzfeuchtefunktion wurde dabei insbesondere anhand einer materialgleichen Referenzmembran gleicher Dicke und mit einem zum erfindungsgemäßen identischen Kraftsensor und mit zum erfindungsgemäßen System identischen Spannelementen erstellt. Zum Erstellen der Referenzfeuchtefunktion wurde ein bestimmter Feuchtegehalt der Referenzmembran eingestellt, indem die Referenzmembran in ein thermodynamisches Gleichgewicht mit einem die Membran umgebenden Betriebsmittel, beispielsweise Luft, gebracht wurde. Dabei wies das Betriebsmittel eine definierte relative Feuchte auf oder wurde die relative Feuchte des Betriebsmittels erfasst. Zusätzlich wurde ein Feuchtegehalt der Membran erfasst, beispielsweise mittels einer Impedanzmessung, einer gravimetrischen Messung oder mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer Membranfeuchte. Schließlich wurde die so erfasste jeweilige Membranfeuchte mit der jeweils erfassten relativen Feuchte des Betriebsmittels korreliert. Durch Wiederholen dieses Vorgangs für eine Vielzahl von relativen Feuchten des Betriebsmittels wurde schließlich die Referenzfeuchtefunktion erstellt.
Es hat sich gezeigt, dass bei einer relativen Feuchte des Betriebsmittels, beispielsweise einer relativen Luftfeuchte, von 100 % der Feuchtegehalt der Membran sein Maximum noch nicht erreicht hat. Mit anderen Worten kann der Feuchtegehalt der Membran weiter ansteigen, auch wenn die relative Feuchte des Betriebsmittels nicht mehr ansteigen kann. Der relativen Feuchte des Betriebsmittels von 100 % kann somit über die Referenzfeuchtefunktion ein definierter Feuchtegehalt der Membran zugeordnet werden, der nicht der maximale Feuchtegehalt der Membran ist. Wird im erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln des Feuchtegehalts eines Betriebsmittels eines Brennstoffzellensystems mittels der Referenzdruckkraftfunktion ein Feuchtegehalt der Membran ermittelt, der gleich oder größer dieses definierten Feuchtegehalts ist, kann somit darauf geschlossen werden, dass die relative Feuchte des Betriebsmittels 100 % beträgt und mit hoher Wahrscheinlichkeit Flüssigkeit, insbesondere Flüssigwasser an oder nahe der Membran vorliegt. Anhand der Stärke der Überschreitung des definierten Feuchtegehalts der Membran kann zudem auf die Menge der an oder nahe der Membran vorliegenden Flüssigkeit, insbesondere auf die Menge des an oder nahe der Membran vorliegenden Flüssigwassers, geschlossen werden.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln der relativen Feuchtigkeit eines Betriebsmittels eines Brennstoffzellensystems kann nun anhand eines ermittelten Feuchtegehalts der quellfähigen Membran eine aktuelle relative Feuchte eines die Membran umgebenden Betriebsmittels ermittelt werden. Zusätzlich kann vorteilhaft ermittelt werden, dass Flüssigwasser an oder nahe der Membran vorliegt und kann bevorzugt die Menge des vorliegenden Flüssigwassers abgeschätzt werden. In einer alternativen Ausführungsform kann die relative Feuchte eines die Membran umgebenden Betriebsmittels anhand eines Feuchtigkeitstransfermodells aus der ermittelten Membranfeuchte ermittelt werden. Sowohl das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln des Feuchtegehalts einer quellfähigen Membran als auch das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln der relativen Feuchtigkeit eines Betriebsmittels eines Brennstoffzellensystems kann ferner den Verfahrensschritt aufweisen: Ermitteln einer Ausdehnung der quellfähigen Membran in einer Normalenrichtung der Hauptoberflächen anhand der erfassten Druckkraft. Auch hierfür werden Referenzmessungen oder ein geeignetes Model genutzt.
Das erfindungsgemäß System zum Ermitteln einer Membranfeuchte und/oder das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weisen ferner bevorzugt eine zum Durchführen zumindest eines der erfindungsgemäßen Verfahren eingerichtete Steuereinheit auf. Die Steuereinheit weist zumindest einen Signaleingang zum Empfangen eines von dem Kraftsensor ausgegebenen Messsignals auf. Ferner weist die Steuereinheit einen Speicher auf, wobei beispielsweise die Referenzdruckkraftfunktion und/oder die Referenzfeuchtefunktion auf dem Speicher gespeichert sind. Ferner weist die Steuereinheit zumindest einen Signalausgang zum Ausgeben des ermittelten Feuchtegehalts der Membran und/oder der ermittelten relativen Feuchte eines die Membran umgebenden Betriebsmittels auf.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung eines Systems zum Ermitteln einer Membranfeuchte gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und
3 eine schematische Darstellung eines Systems zum Ermitteln einer Membranfeuchte gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14 mit einer hier nicht näher dargestellten ionenleitfähigen Polymerelektrolytmembran sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden. Diese Elektroden katalysieren die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffumsetzung. Die Anoden- und Kathodenelektrode sind als Beschichtung auf der Membran ausgebildet und weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt.
Wie in der Detaildarstellung der 1 gezeigt, ist zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode ein Anodenraum 12 ausgebildet und ist zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13 ausgebildet. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmittel in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmitteln zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmittels (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbinden die Anodenversorgungspfade 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Dosierventil 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar.
Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems eine Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Brennstoffzellenstapel 10 zurückzuführen. In der Rezirkulationsleitung 25 ist eine Rezirkulationsfördereinrichtung 26, vorzugsweise ein Rezirkulationsgebläse, angeordnet.
Die Kathodenversorgung 30 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmittel zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt.
Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmittels ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Zusätzlich kann der Antrieb des Verdichters 33 über eine Turbine 36 erfolgen, die von dem Kathodenabgas angetrieben wird und über eine Welle mit dem Verdichter verbunden ist. Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 weist ferner einen stromaufwärts des Verdichters 33 in der Kathodenversorgungsleitung 31 angeordneten Ladeluftkühler 39 zum Abkühlen des zuvor verdichtetem Kathodenbetriebsmittels auf.
Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 weist ferner ein stromaufwärts des Ladeluftkühlers 39 in der Kathodenversorgungsleitung 31 angeordnetes Befeuchtermodul 40 auf. Das Befeuchtermodul 40 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass es von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Ein Befeuchter 40 weist zumindest eine wasserdampfpermeable Befeuchtermembran 43 auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet ist. Dabei wird eine Seite der zumindest einen Membran 43 von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran 43 in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 weist ferner einen die Kathodenversorgungsleitung 31 stromaufwärts und stromabwärts des Befeuchters 40 miteinander verbindenden Befeuchterbypass 41 mit einem darin angeordneten Bypassstellmittel 42 auf. Anhand des Öffnungsgrads des Bypassstellmittels 42 kann die Menge des den Befeuchter 40 umgehenden Kathodenbetriebsmittels und somit die relative Feuchtigkeit beziehungsweise der Feuchtegehalt des Kathodenbetriebsmittels am Eintritt des Brennstoffzellenstapels 10 eingestellt werden.
Die Kathodenversorgung 30 weist ferner eine Wastegate-Leitung 37 auf, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbindet. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Wastegate-Stellmittel 38 dient der Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmittels.
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann in dem Anoden- und/oder Kathodenabgaspfad 22, 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser abzuleiten. Schließlich kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.
Die 2 und 3 zeigen schematische Darstellungen von Systemen 60 zum Ermitteln einer Membranfeuchte gemäß einem ersten beziehungsweise einem zweiten Ausführungsbeispiel. Diese Systeme 60 können an verschiedenen Stellen in das in 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 100 integriert sein. In 1 sind mögliche Einbaupositionen der erfindungsgemäßen Systeme durch das Bezugszeichen 60 markiert.
Die in den 2 und 3 gezeigten schematischen Darstellungen eines erfindungsgemäßen Systems 60 zum Ermitteln einer Membranfeuchte weisen eine quellfähige Membran auf, wobei es sich in Abhängigkeit der Einbaulage um die Polymerelektrolytmembran 14 einer Brennstoffzelle 11 oder um die Befeuchtermembran 43 des Befeuchters 40 handelt. Ist das erfindungsgemäße System 60 in den Brennstoffzellenstapel 10 integriert, handelt es sich um die Polymerelektrolytmembran 14 einer Brennstoffzelle 11. Ist das erfindungsgemäße System 60 in den Befeuchter 40 integriert, handelt es sich um dessen Befeuchtermembran 40. Ist das erfindungsgemäße System 60 anderweitig in die Kathodenversorgung 30 integriert, kann es sich um eine der Polymerelektrolytmembran 14 einer Brennstoffzelle 11 ähnliche oder um eine der Befeuchtermembran 43 des Befeuchters 40 ähnliche Membran handeln.
Die in den 2 und 3 gezeigten schematischen Darstellungen eines erfindungsgemäßen Systems 60 zum Ermitteln einer Membranfeuchte weisen ferner einen Kraftsensor 61 auf, der über einer ersten Hauptoberfläche 65 der Membran 14, 43 angeordnet ist. Insbesondere ist der Kraftsensor 61 auf dieser ersten Hauptoberfläche 65 angeordnet und liegt somit an dieser an.
Der Kraftsensor 61 und die Membran 14, 43 sind mittels eines ersten Spannelements 62 und eines zweiten Spannelements 63 miteinander verbunden. Dabei ist der Kraftsensor 61 zwischen dem ersten Spannelement 62 und der ersten Hauptoberfläche der Membran 14, 43 angeordnet. Das zweite Spannelementelement ist über der zweiten Hauptoberfläche 66 der Membran 14, 43 angeordnet. Insbesondere ist das zweite Spannelement 63 auf der zweiten Hauptoberfläche 66 der Membran 14, 43 angeordnet und liegt an dieser an. Der Abstand zwischen dem ersten Spannelement 62 und dem zweiten Spannelement 63 entspricht dabei im Wesentlichen der Ausdehnung des Kraftsensors 61 und der trockenen Membran 14, 43 in einer Normalenrichtung der ersten Hauptoberfläche 65 oder der zweiten Hauptoberfläche 66. Das erste Spannelement 62 verhindert somit zumindest im Wesentlichen eine Translation des Kraftsensors 61 in Normalenrichtung der ersten Hauptoberfläche 65 aufgrund einer Verformung der Membran 14, 43. Das zweite Spannelement 63 verhindert zumindest im Wesentlichen eine Verformung der Membran 14, 43 in die Normalenrichtung der zweiten Hauptoberfläche 66.
Das in der 3 gezeigte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 60 zum Ermitteln einer Membranfeuchte unterscheidet sich von dem in der 2 gezeigten System 60 dadurch, dass ein Abstandshalter 64 mit dem ersten Spannelement 62 und mit dem zweiten Spannelement 63 verbunden ist. Bevorzugt ist der Abstandshalter 64 einteilig mit dem ersten Spannelement 62 und dem zweiten Spannelement 63 ausgebildet. Somit weisen das erste Spannelement 62 und das zweite Spannelement 63 in Normalenrichtung der ersten oder zweiten Hauptoberfläche 65, 66 einen festen Abstand auf. Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel ist insbesondere zur Verwendung an freien Membranabschnitten geeignet. Es kann beispielsweise auf bestehende Membrane 14, 43 des Brennstoffzellensystems 100 aufgesetzt werden. Alternativ kann es in Form eines eigenständigen Messsystems mit einer zu einer bereits in dem Brennstoffzellensystem 100 bestehenden Membran ähnlichen Membran 14, 43 zusätzlich in das Brennstoffzellensystem 100 eingebracht werden. Das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel ist hingegen insbesondere zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel 10 geeignet, wobei das erste Spannelement 62 und das zweite Spannelement 63 durch Anpressflächen ausgebildet sind, die auf den Bipolarplatten 15 des Brennstoffzellenstapels 10 angeordnet sind.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
15: Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungspfad
22: Anodenabgaspfad
23: Brennstofftank
24: Dosierventil
25: Brennstoffrezirkulationsleitung
26: Rezirkulationsfördereinrichtung
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungspfad
32: Kathodenabgaspfad
33: Verdichter
34: Elektromotor
35: Leistungselektronik
36: Turbine
37: Wastegate-Leitung
38: Wastegate-Stellmittel
39: Ladeluftkühler
40: Befeuchter
41: Befeuchterbypass
42: Bypassstellmittel
43: Befeuchtermembran
60: System zum Ermitteln einer Membranfeuchte
61: Kraftsensor
62: erstes Spannelement
63: zweites Spannelement
64: Abstandshalter
65: erste Hauptoberfläche
66: zweite Hauptoberfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3911812 A1 [0011]
DE 102013021627 A1 [0012]

Claims

System (60) zum Ermitteln einer Membranfeuchte, aufweisend eine quellfähige Membran (14, 43) mit einer ersten Hauptoberfläche (65) und einer der ersten Hauptoberfläche (65) gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche (66); einen über der ersten Hauptoberfläche (65) angeordneten Kraftsensor (61); und ein über dem Kraftsensor (61) angeordnetes erstes Spannelement (62) und ein über der zweiten Hauptoberfläche (66) angeordnetes zweites Spannelement (63); dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spannelement (62) und das zweite Spannelement (63) dafür eingerichtet sind, die Membran (14, 43) und den Kraftsensor in den Normalenrichtungen der Hauptoberflächen (65, 66) einzuspannen.
System (60) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spannelement (62) und das zweite Spannelement (63) in einer Normalenrichtung der Hauptoberflächen (65, 66) zueinander einen Abstand aufweisen, welcher der Summe der Ausdehnungen der trockenen Membran (14, 43) und des Kraftsensors (61) in einer Normalenrichtung der Hauptoberflächen (65, 66) entspricht.
System (60) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spannelement (62) und das zweite Spannelement (63) über einen Abstandshalter (64) miteinander verbunden sind und zueinander einen festen Abstand in einer Normalenrichtung der Hauptoberflächen (65, 66) aufweisen.
System (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine über der ersten Hauptoberfläche (65) angeordnete erstes Plattenelement und ein über der zweiten Hauptoberfläche (66) angeordnete zweites Plattentelement, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spannelement (62) als Teil des ersten Plattenelements ausgebildet ist und das zweite Spannelement (63) als Teil des zweiten Plattenelements ausgebildet ist.
System (60) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die quellfähige Membran (14, 43) in einer Richtung senkrecht zur Normalenrichtung der Hauptoberflächen über die Plattenelemente übersteht.
System (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran als eine sulfonierte PFTE Membran (14) oder als eine wasserdampfpermeable Befeuchtermembran (43) ausgebildet ist.
System (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (61) als Piezosensor, Silizium-Mikro-Kraftsensor oder Mikrotaster ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem (100), aufweisend ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zum Ermitteln des Feuchtegehalts einer quellfähigen Membran, aufweisend die Verfahrensschritte: Einspannen eines Kraftsensors (61) und einer quellfähigen Membran (14, 43) zwischen einem ersten Spannelement (62) und einem zweiten Spannelement (63); Erfassen einer von der quellfähigen Membran (14, 43) auf den Kraftsensor (61) ausgeübten Druckkraft; und Ermitteln eines Feuchtegehalts der quellfähigen Membran (14,43) anhand der erfassten Druckkraft.
Verfahren zum Ermitteln der relativen Feuchtigkeit eines Betriebsmittels eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend die Verfahrensschritte: Anordnen eines Systems (60) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in dem Brennstoffzellensystem (100); Erfassen einer von der quellfähigen Membran (14, 43) auf den Kraftsensor (61) ausgeübten Druckkraft; Ermitteln eines Feuchtegehalts der quellfähigen Membran (14, 43) anhand der erfassten Druckkraft; und Ermitteln einer relativen Feuchtigkeit eines die Membran (14, 43) umgebenden Betriebsmittels anhand des ermittelten Feuchtegehalts der Membran (14, 43).