DE10236845A1

DE10236845A1 - Brennstoffzelle mit integriertem Sensor

Info

Publication number: DE10236845A1
Application number: DE10236845A
Authority: DE
Inventors: Raimund STRÖBEL; Stefan Merkl; Dominique Tasch; Dieter Dr. Grafl; Matthias Dr. Leske; Kai Lemke
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-08-09
Also published as: US20040234835A1; DE10236845B8; DE10236845B4

Abstract

Brennstoffzelle in Schichttechnik, wobei mindestens eine Schicht durch eine Bipolarplatte gebildet wird und worin mindestens ein Sensorelement vorgesehen ist, welches mit der Bipolarplatte eine Grenzfläche bildet, wobei das Sensorelement teilweise mit einer abdichtenden und gegen Verpressung schützenden Einfassung umgeben ist und elektrische Verbindungselemente enthält, sowie die Verwendung der vorgenannten Brennstoffzelle für die Erstellung eines Temperaturprofils in einem Brennstoffzellensystem.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine in Schichttechnik realisierte Brennstoffzelle, in der mindestens eine der Schichten durch eine Bipolarplatte gebildet wird.

Beim Aufbau einer Brennstoffzelle ist es bekannt, die Funktionselemente der Brennstoffzelle schichtweise übereinander anzuordnen. Dabei kann eine Anordnung in sich wiederholender Weise derart erfolgen, daß mehrere Brennstoffzellen übereinander gebildet werden und ein sogenannter Brennstoffzellen-Stack entsteht.

Bei solchen Brennstoffzellen in Schichttechnik, insbesondere bei Brennstoffzellen-Stacks, tritt häufig der Nachteil auf, daß eine sich darin ergebende, ungleichmäßige Wärmeverteilung innerhalb des Brennstoffzellensystems eine Leistungsverschlechterung desselben zur Folge hat.

Weiterhin ist aus dem Stand der Technik bekannt, punktuell in Laboranordnungen von Brennstoffzellen-Stacks Temperatursensoren für Labormeßzwecke einzusetzen. Nachteilig ist bei diesen Anordnungen jedoch, daß die dabei verwendeten Temperatursensoren zu kostenintensiv sind, bei ausreichender Stabilität zu groß und bei ausreichend geringen Abmessungen zu empfindlich sind. Es sind also die wie bekannt verwendeten Temperatursensoren aus Kostengründen und Designgründen für die industrielle Serienfertigung und hinsichtlich der Beseitigung der vorgenannten nachteiligen Temperaturverteilung nicht tauglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle anzugeben, die es ermöglicht, ein Profil der Temperaturverteilung in einem die erfindungsgemäßen Brennstoffzellen enthaltenden Brennstoffzellen-System zu erfassen und dieses Temperaturprofil des Brennstoffzellen-Systems zur gezielten Temperierung zu nutzen. Dabei sollen die im Stand der Technik genannten Nachteile vermieden werden, insbesondere soll eine Lösung robust und besonders im Hinblick auf die industrielle Serienfertigung kostengünstig sein, sowie flexibel einsetzbar in der Gestaltung des technischen Aufbaus der Brennstoffzelle in Schichttechnik.

Ferner ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verwendung für eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle anzugeben, die der Beseitigung des im Stand der Technik genannten Nachteils dient.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1 sowie die Verwendung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle nach Anspruch 13.

Dadurch, daß mindestens ein Sensorelement vorgesehen ist, welches mit der Bipolarplatte eine Grenzfläche bildet, wird eine Meßeinrichtung vorgesehen, die an einer für den prinzipiellen Aufbau einer Brennstoffzelle in Schichttechnik geeigneten Position wesentliche Größen wie Temperatur und/oder Gasdruck und/oder Gaskonzentration zu erfassen. Ferner kann das Sensorelement besonders in die Bipolarplatte gut eingearbeitet werden.

Das Sensorelement kann seiner Art nach ein Temperatursensor sein, aber auch ein Sensor zur Identifizierung verschiedener Arten von Gas, zur Bestimmung der Gaskonzentration, sowie ferner ein Druck- und/oder ein Feuchtigkeitssensor sein, oder etwa ein Sensor zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Kühlwassers.

Dadurch, daß das Sensorelement teilweise mit einer abdichtenden und gegen Verpressung schützenden Einfassung umgeben ist, kann die Schichtanordnung der Brennstoffzelle durch Kraftschluß erfolgen, ohne, daß der Sensor aufgrund der Anpreßkräfte zerstört wird. Neben dieser Wirkung der Einfassung als Verpressungsbegrenzung bzw. Stützschicht, wirkt die Einfassung je nach Erfordernis der Anordnung abdichtend gegenüber den im Betrieb der Brennstoffzelle in diese eingeleiteten Reaktanden.

Von der Einfassung umgeben sind auch elektrische Verbindungselemente, welche mit dem Sensorelement elektrisch verbunden sind und als Leiterbahn ausgeführt sein können. Durch diese elektrischen Verbindungselemente kann der Sensor an Steuereinrichtungen angeschlossen werden, wodurch das Signal des Sensors aus der Brennstoffzelle herausführbar ist.

Dadurch, daß eine oder mehrere erfindungsgemäße Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellensystem verwendet werden, ist es praktisch möglich, im Brennstoffzellensystem ein Temperaturprofil mindestens von Teile der Gesamtheit an Brennstoffzellen zu erstellen. Die Verwendung kann dabei dahingehend erweitert werden, daß das Temperaturprofil Teil eines Steuerkreises ist, der der Temperierung der Gesamtheit an Brennstoffzellen dient.

Es sei angemerkt, daß die vorliegende Erfindung praktisch für beliebige Bauformen von Bipolarplatten anwendbar ist. Möglich sind z.B. Verbundsysteme zweier Bipolarplatten mit dazwischen liegendem Raum für Kühlflüssigkeit, es sind aber selbstverständlich auch einfache Einzelplatten erfindungsgemäß mit Temperatursensoren zu bestücken.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Brennstoffzelle in Schichttechnik nach Anspruch 1 sind nach den Unteransprüchen möglich und werden im Folgenden erläutert.

Um etwa die abdichtende Wirkung der Einfassung zu verbessern oder die Abdichtung unabhängig von der Einfassung zu realisieren, ist es vorteilhaft, eine über die abdichtende Wirkung der Einfassung hinausgehende Abdichtung vorzusehen, wobei diese Abdichtung gegen die Einfassung, Verpressungsschutzlage sowie andere steife Teile durch Elastomer erfolgt.

Eine im Aufbau besonders einfache und einfach herzustellende Art, die Einfassung des Sensorelementes mit Verbindungselement zu realisieren, ist es, die Einfassung als Verpressungsschutzlage auszuführen, so daß das Sensorelement mit Verbindungselementen seitlich derart mit der Verpressungsschutzlage umgeben ist, so daß zusammen eine Schicht gebildet wird, welche in einfacher Weise auf der Bipolarplatte aufgebracht ist, und beispielsweise durch Kraftschluß in Position gehalten wird. Die Verpressungsschutzlage trägt hier besonders breitflächig die Anpreßkräfte.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Sensorelement zumindest teilweise in die Bipolarplatte eingelassen. Hierfür kommt beispielsweise eine Auslassung in Betracht, in die das Sensorelement eingesetzt werden kann. Die Bipolarplatte kann dabei neben den Strukturen zur Aufnahme des Sensorelementes zusätzlich entsprechende Strukturen für die Verbindungselement zu einer Meßwertaufnahmeeinheit und/oder die Einfassung aufweisen.

Vorteilhafterweise sind die Strukturen der Bipolarplatte bzw. der Verpressungsschutzlage so auszubilden, daß neben dem Sensorelement auch die Verbindungselemente vor Verpressung geschützt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist auf der der Bipolarplatte abgewandten Seite des Sensorelementes eine wärmeleitende Schicht aufgetragen. Die Wärmeleitfähigkeit dieser Schicht sollte dabei so hoch sein, daß eine nahezu fehlerfreie Temperaturmessung an dem entsprechenden Bauteil über diese wärmeleitende Schicht ermöglicht wird. Als Wärmeleitfähigkeit kann beispielsweise eine wärmeleitfähige Paste aufgetragen sein. Bevorzugt ist es zusätzlich, wenn die Bipolarplatte, die dem Reaktionsbereich zugewandt ist, eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Alternativ, oder zusätzlich, kann die vorgenannte Schutzschicht auch eine schützende Schicht gegen mechani schen Abrieb sein. Den Aufbau und damit den Herstellungsprozeß weiter vereinfachend ist eine vorteilhafte Ausführungsform, bei der die Einfassung und die wärmeleitende Schicht mindestens teilweise identisch sind. Es werden dadurch mehrere Funktionen in einem Vorrichtungselement gebündelt.

Zusätzlich können Funktionen noch weiter gebündelt und damit der Aufbau technisch vorteilhaft vereinfacht werden, wenn nicht nur Einfassung und wärmeleitende Schicht mindestens teilweise identisch sind, sondern die wärmeleitende Schicht auch gleichzeitig ein zur Abdichtung verwendeter Elastomer ist.

Bevorzugtes Material für die Bipolarplatten ist eine Auswahl oder eine Mischung von Graphit, Graphitkomposit und/oder Metall. Die Schichtdicke einer solchen Bipolarplatte beträgt vorteilhafterweise zwischen 50 μm und 10 mm.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, die Einfassung und/oder vorgenannten Schutzschicht mit elektrisch isolierender Wirkung zu versehen. Besonders im Falle der Ausführung der Einfassung als Verpressungsschutzlage ist es günstig, die Verpressungsschutzlage an den Stirnseiten der Ausnehmung elektrisch zu isolieren.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, als Sensorelement ein Dünnschichtsensor zu verwenden. Dadurch kann die Sensorfunktionalität einbaudickenneutral in bestehende Systeme integriert werden, so daß der Aufwand für die Umstellung von gewöhnlichen Brennstoffzellen in Schichttechnik auf solche, die erfindungsgemäß ein Sensorelement mit Einfassung und Verbindungselementen enthält, minimal ist.

Vorteilhafterweise kann das Sensorelement als ein Gas-Sensor zur Messung der Gaskonzentration und/oder als ein Gasdrucksensor und/oder als ein Feuchtesensor ausgeführt sein, wodurch der Zustand der in der Brennstoffzelle geführten Reaktanden bestimmt werden kann. Vorteilhafterweise kann dieser Temperatursensor ein PTC-Widerstand, ein PT-100, PT-1000, NTC-Widerstand oder Thermoelement sein.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Verwendung der Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellengesamtsystem ist es, daß in der Verwendung erstellte Temperaturprofil für die Steuerung der Temperierung, d.h. der gezielten Einflußaufnahme auf die Temperaturverteilung im Brennstoffzellensystem, besonders im Brennstoffzellen-Stack, zu verwenden. Es wird damit ermöglicht, im Zusammenhang mit einem in der Brennstoffzelle vorgesehenen Kühlmedium bzw. einer Kühllage einen Kühlkreislauf abhängig von der Temperaturverteilung im Brennstoffzellen-Stack zu regeln.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen
1 die Prinzipielle Anordnung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors in einer Brennstoffzelle in Schichttechnik, als Temperatur-, Druck-, Feuchte- und/oder als Gassensor im Querschnitt,
2 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelle, in der die Bipolarplatten so geformt sind, daß Kühlmittelbe reiche entstehen, sowie
3 sieben Einbauvarianten für den Sensor im Schichtsystem einer Brennstoffzelle in Schichttechnik.
1 zeigt die prinzipielle Anordnung eines Sensors im Schichtensystem einer Brennstoffzelle in Schichttechnik.
1 I zeigt einen Schichtenverbund aus Membran und Elektroden 13 sowie einem Gasdiffusionsbereich 12 für Luft und Sauerstoff und einem zweiten Gasdiffusionsbereich 12' für den Brennstoff, optionalen Beschichtungen 11 und 11', sowie einer ersten Bipolarplatte 5 und einer zweiten Bipolarplatte 5' und einer zwischen den Bipolarplatten angeordneten Kühllage 7.
Dieser grundsätzliche Schichtenaufbau ist in 1 I, 1 II und 1 III gleich.
In diesem Schichtenverbund ist jeweils in I, II und III ein Sensor 1 mit Verbindungselementen 2 in Form gedruckter Leiterbahnen und einer den Sensor und die gedruckte Leiterbahn umgebende Schutzbeschichtung 3, welche gegen Verpressen schützt und abdichtend wirkt, positioniert. Die Verbindungselemente 2 stellen eine elektrische Verbindung des Sensors mit der Außenwelt her. Die in dieser Figur unter I und II dargestellten Sensoranordnungen am Segment 1, Verbindungselement 2 und Einfassung 3 sind jeweils ganz oder teilweise kathodenseitig, anodenseitig und/oder ins Kühlwasser eingelassen. Es handelt sich hierbei um die Ausführung des Sensors 1 als Temperaturfühler. Die seitliche Einfassung 3 zum Schutz vor Verpressung und zur Abdichtung umgibt den Sensor 1 seitlich und auch rückseitig, in 1 I eine Grenzfläche zum Gasdiffusionsbereich 12 bildend und in 1 II eine Grenzfläche zur Kühllage 7 bildend.
In diesen Beispielen sind die in die Bipolarplatte 5 eingearbeiteten Strukturen zum Einlassen der Sensoranordnung aus Sensorleiterbahn und Einfassung so geformt, daß gedruckte Leiterbahnen 2, Sensor 1, und seitliche Einfassung 3 eine ebene Grenzfläche zur Grundfläche der Einlassung 5 bilden. Es sind durchaus auch andere Strukturierungen denkbar.
Die Bipolarplatten 5 und 5' können aus Graphit, Graphitkomposit sowie Metall bestehen, oder einer Mischung hieraus, und können eine Dicke aufweisen zwischen 10 μm und 10 mm.
Die optionale Beschichtung 11 bzw. 11' kann eine Dikke von 1 nm bis zu 200 μm erreichen.
In 1 III ist eine Anordnung gewählt, wie sie für die Realisierung des Sensors 1 als Gas- bzw. Gasdrucksensor und/oder Feuchtesensor relevant ist. Es ist hier die Anordnung aus Sensor 1 und seitlicher Einfassung 3 verändert gegenüber den in 1 I und 1 II gezeigten Beispielen. Wie in 1 I bildet auch hier die Sensoranordnung aus Sensor 1, Verbindungselement 2 und Einfassung 3 eine Grenzfläche mit dem Gasdiffusionsbereich 12. Anders als in 1 I ist hier in 1 III jedoch, daß der Sensor 1 eine direkte Grenzfläche zur Gasdiffusionsschicht 12 bildet. Die Einfassung 3 dient hier vor allem als Verpressungsschutz.
In 1 IV ist eine Sensoranordnung aus Sensor 1, Verbindungselement 2 und Einfassung 3, wie sie auch in 1 III dargestellt ist, dargestellt. In dieser Darstellung 1 IV jedoch befindet sich die Sensoranordnung vollständig in der Kühllage 7 und bildet eine Grenzfläche zur Bipolarplatte 5. Dabei bildet diejenige Seite der Sensoranordnung eine Grenzfläche mit der Bipolarplatte 5, auf welcher die Verbindungselemente 2, das Sensorelement 1 und die seitlichen Einfassungen 3 eine Oberfläche bilden.
2 zeigt einen Querschnitt durch eine Brennstoffzelle mit zwei geformten Bipolarplatten 5 und 5', welche so geformt sind, daß abwechselnd die Platten verbunden sind an den Stellen 6 und Kühlmittelbereiche 7 bilden (schraffiert dargestellt). Die Verbindungen können durch Löten, Kleben und/oder Schweißen miteinander befestigt sein. Jeweils an die anodenseitige Bipolarplatte 5 und kathodenseitige Bipolarplatte 5' sind rechts Sensorelemente 1 dichtungsseitig angrenzend, jeweils mit als Leiterbahn ausgeführten Verbindungselementen 2 seitlich versehen. Der gekörnt unterlegte Bereich 4 deutet die Dichtung der Bipolarplatten an, deren Verbund eine Gesamthöhe 10 von zwischen 20 μm und 20 mm erreicht.
Das analog aufgebaute Sensorelement 1 mit Verbindungselementen 2 in der Mitte der Darstellung ist kühlmittelbereichsseitig an die Bipolarplatte 5 angrenzend.
3 zeigt in I bis VII verschiedene Einbauvarianten für den Sensor 1 in die seitliche Einfassung des Sensors 3 mit und ohne Bipolarplatte 5.
3 I zeigt die als Verpressungsschutzlage 3 ausgeführten Einfassungselemente, in deren Auslassung das Sensorelement 1 eingelassen ist. Gleichzeitig ist diese Sensorlage 9 auf einer Bipolarplatte 5 aufgebracht. II zeigt vergleichbar mit I die Auftragung einer Sensorlage 9 auf eine Bipolarplatte 5, wobei das Sensorelement 1 die Ausnehmung nur teilweise ausfüllt, da auf der der Bipolarplatte abgewandten Seite zusätzlich eine wärmeleitfähige Schicht 8, die auch oder alternativ vor mechanischen Beschädigungen schützt, aufgetragen ist.
3 III zeigt das Sensorelement 1 so ausgebildet, daß es zum einen vollständig die Ausnehmung der Verpressungsschutzlage 3 ausfüllt und gleichzeitig sich in die Bipolarplatte 5 erstreckt. Hierfür weist die Bipolarplatte 5 eine Strukturierung auf, in die das Sensorelement 1 eingesetzt wird. Dabei ist eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Bipolarplatte 5 und Sensorelement 1 nicht zwangsläufig notwendig. In IV erstreckt sich das Sensorelement 1 ebenso in die Bipolarplatte 5, wobei hier auf der der Bipolarplatte 5 abgewandten Seite des Sensorelementes zusätzlich eine wärmeleitfähige oder vor mechanischen Beschädigungen schützende Schicht 8 aufgetragen ist. Diese Schicht 8 kann z.B. in Form einer Paste aufgetragen sein.
3 V zeigt analog zu 3 I eine Sensorlage 9, bestehend aus einer seitlichen Einfassung 3, bzw. Verpressungsschutzlage 3, in deren Ausnehmung ein Sensorelement 1 eingebracht ist. In diesem Fall ist jedoch keine Bipolarplatte vorgesehen. VI zeigt entsprechend V eine Sensorlage 9, bestehend aus einer Verpressungsschutzlage 3, in deren Ausnehmung ein Sensorelement 1 befestigt ist, das zu einer Seite mit einer wärmeleitfähigen oder vor mechanischen Beschädigungen schützenden Schicht 8 abgedeckt ist.
3 VII zeigt eine Sensorlage 9, bestehend aus einer wie auch in allen anderen Beispielen dieser 3 beidseitig den Sensor 1 umgebenden Einfassung 3, bzw. Verpressungsschutzlage 3, wobei hier in das Sensorelement 1 Verbindungselemente 2 in Form gedruckter Leiterbahnen eingearbeitet sind bzw. das Sensorelement 1 so strukturiert ist, daß die Verbindungselemente 2 darin eingelassen werden können, so daß die leiterbahnseitige Fläche der Sensorlage 9 eben ist.

Claims

Brennstoffzelle in Schichttechnik, wobei mindestens eine Schicht durch eine Bipolarplatte gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensorelement (1) vorgesehen ist, welches mit der Bipolarplatte (5, 5') eine Grenzfläche bildet, wobei das Sensorelement teilweise mit einer abdichtenden und gegen Verpressung schützenden Einfassung (3) umgeben ist und Verbindungselemente (2) zur elektrischen Anschließbarkeit an Steuereinrichtungen enthält.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfassung (3) als Verpressungsschutzlage ausgeführt ist und das Sensorelement (1) mit Verbindungselementen (4) und Verpressungsschutzlage zusammen eine Schicht (9) bilden, welche auf der Bipolarplatte (5, 5') aufgebracht ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die Bipolarplatte (5, 5') auf der dem Sensorelement (1) zugewandten Seite Strukturen ausgeprägt sind, in die sich das Sensorelement (1) und/oder die Verbindungselemente (2) und/oder die Einfassung (3) erstrecken.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Bipolarplatte (5, 5') abgewandten Seite des Sensorelementes (4, 4') eine wärmeleitende Schicht aufgetragen ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfassung und die wärmeleitende Schicht identisch sind.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (5, 5') aus Graphit, Graphit Composit und/oder Metall besteht.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (5, 5') eine Schichtdicke von 50 μm bis 10 mm aufweist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfassung elektrisch isolierend wirkt.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement ein Dünnschichtsensor ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement ein Gas-Sensor und/oder Drucksensor und/oder Feuchtigkeitssensor ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement ein Temperatur-Sensor ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperatur-Sensorelement ein PTC-Widerstand, ein PT-100, PT-1000, NTC oder ein Thermoelement ist.
Verwendung mindestens einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in einem Brennstoffzellensystem für die Erstellung eines Temperaturprofils.
Verwendung nach Anspruch 13 für die Steuerung der Temperierung des Brennstoffzellensystems.