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Dokumentenidentifikation DE202006019390U1 03.05.2007
Titel Vorrichtung zur Halterung und Ausrichtung von Sensoren in der Reaktionskammer einer Brennstoffzelle
Anmelder balticFuelCells GmbH, 19061 Schwerin, DE
Vertreter Jaap, R., Pat.-Anw., 19370 Parchim
DE-Aktenzeichen 202006019390
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 03.05.2007
Registration date 29.03.2007
Application date from patent application 22.12.2006
IPC-Hauptklasse H01M 8/02(2006.01)A, F, I, 20061222, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Halterung und Ausrichtung von Sensoren in der Reaktionskammer einer Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Vorrichtungen werden zur Halterung und exakten Ausrichtung von Sensoren verwendet, mit denen Messdaten aus den Reaktionskammern einer Brennstoffzelle aufgenommen werden.

Brennstoffzellen dienen der Erzeugung von elektrischer Energie, die aus der chemischen Energie von Oxydationsprozessen gewonnen wird.

Dazu sind die Brennstoffzellen aus mehreren Einzelzellen zu einem Zellstapel zusammengesetzt. Jede Einzelzelle besteht wiederum aus zwei Reaktionskammern mit jeweils einer Elektrode, die durch eine für den Ladungsträger eines Brennstoffes permeable Membran, vorzugsweise eine Polymerelektrolytmembran, getrennt sind. Durch die beiden Reaktionskammern jeder Einzelzelle werden die Reaktionspartner geleitet. So wird der einen Reaktionskammer die oxidierbare Substanz bzw. der Brennstoff und der anderen Reaktionskammer ein Oxidationsmittel in flüssigem oder gasförmigem Aggregatszustand kontinuierlich zugeführt. Dabei werden als oxidierbare Substanz bzw. Brennstoff entweder Wasserstoff in einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle oder Methanol in einer Direktmethanol-Brennstoffzelle verwendet.

In üblicher Bauweise werden die jeweils benachbarten Reaktionskammern durch jeweils eine Bipolarplatte voneinander getrennt, so dass in einem Brennstoffzellenstapel in abwechselnder Reihenfolge jeweils eine Bipolarplatte und eine Membran angeordnet sind. Anstelle der ersten und letzten Bipolarplatte wird jeweils eine Endplatte eingesetzt.

Zwischen den Bipolarplatten und den Membranen sind üblicherweise Dichtungen angeordnet, wobei die Abdichtung der Reaktionskammern durch die Wirkung einer Anpresskraft erzeugt wird. Diese Anpresskraft wird durch das Verspannen der Endplatten realisiert, wozu z. B. Spannschrauben oder, wie in der DE 20 2004 018 521 vorgestellt, eine Kolben-Zylindereinheit verwendet werden.

Der Betrieb von Brennstoffzellen wird z. B. aus Optimierungsgründen oder zu Untersuchungszwecke überwacht. Dazu werden die Prozessbedingungen in den Reaktionskammern mit Sensoren gemessen, wobei je nach Messgröße dazu die Sensoren unterschiedlich ausgeführt sind. So werden die Anoden- und Kathodenspannung sowie Anoden- und Kathodenimpedanz mit einer Bezugselektrode und die Temperatur mit einem Thermoelement gemessen.

Bisher wurden die Sensoren zwischen der Bipolarplatte und der Membran angeordnet, wobei der jeweilige Messkopf eines Sensors in die zu überwachende Reaktionskammer hineinragt und die Anschlüsse des Sensors sich außerhalb der Brennstoffzelle befinden. Dabei durchqueren die Sensoren die Dichtung zwischen der Bipolarplatte und der Membran.

Nachteilig an dieser Lösung ist aber, dass durch das Durchqueren der Dichtung zwischen der Bipolarplatte und der Membran durch die Sensoren keine ausreichende Abdichtung der zu überwachenden Reaktionskammer mehr erfolgt.

Auch erschwert diese Anordnung der Sensoren eine genaue Positionierung des Messkopfes in der zu überwachenden Reaktionskammer, da beim Zusammensetzen des Brennstoffzellenstapels regelmäßig der Sensor ungewollt verschoben wird. Eine ungenaue Positionierung des Messkopfes führt aber zu ungenauen oder sogar fehlbehafteten Messwerten.

Außerdem weist jeder Sensor durch seine Baugröße einen Querschnitt auf, der in gleichermaßen auch den Mindestabstand zwischen Bipolarplatte und Membran darstellt. Ein Abstand zwischen Bipolarplatte und Membran, der kleiner dem Querschnitt des Sensors ist, kann somit nicht erreicht werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Halterung und Ausrichtung von Sensoren in den Reaktionskammern einer Brennstoffzelle zu entwickeln, mit der ein ungewolltes Verschieben des Sensors während des Zusammensetzens des Brennstoffzellenstapels vermieden und eine ausreichende hohe Abdichtung der zu überwachenden Reaktionskammer erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckdienliche Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 10.

Die neue Vorrichtung zur Halterung und Ausrichtung von Sensoren in den Reaktionskammern einer Brennstoffzelle beseitigt die genannten Nachteile des Standes der Technik.

Vorteilhaft bei der Anwendung der neuen Vorrichtung zur Halterung und Ausrichtung von Sensoren in den Reaktionskammern einer Brennstoffzelle ist es, dass jeder Sensor ein in einer Sensorhalteschablone integriertes Sensorelektrodenpaar aufweist, wobei die Sensorhalteschablone zwischen Bipolarplatte und Membran angeordneten und in ihrer Auflage ein Abbild der Dichtfläche der Bipolarplatten ist. Dabei ist der innenliegende Bereich der Sensorhalteschablone um die Reaktionskammer ausgespart. Außerdem sind die Elektroden des Sensorelektrodenpaars über ihren Querschnitt in die Sensorhalteschablone versenkt, so dass die Elektroden des Sensorelektrodenpaars im Bereich der Sensorhalteschablone durch diese Sensorhalteschablone zueinander und gegenüber der Bipolarplatte isoliert sind.

Durch die Sensorhalteschablone wird eine exakte und fehlerfreie Positionierung des Messkopfes des Sensors in der Reaktionskammer der Brennstoffzelle ermöglicht. Auch wird durch die feste Anordnung des Sensorelektrodenpaars auf der Sensorhalteschablone ein ungewolltes Verschieben des Sensors während des Zusammensetzens des Brennstoffzellenstapels vermieden. Dabei kann der Einbau der Sensorhalteschablone sowohl auf der Anoden- als auch auf der Kathodenseite erfolgen.

Gleichzeitig besitzt die Sensorhalteschablone eine glatte Auflagefläche, insbesondere auch im Bereich des Sensorelektrodenpaars, so dass eine ausreichende hohe Abdichtung der zu überwachenden Reaktionskammer erreicht wird.

Vorteilhaft ist auch, dass als Sensorelektrodenpaar prinzipiell jede Messgröße mit geeigneten Elektroden ausgestattet werden kann. Dabei haben sich insbesondere als Sensorelektrodenpaar eine Bezugselektrode und Hilfselektrode zur Messung der elektrischen Spannung bzw. Überspannung oder Impedanz der Elektrode in der Reaktionskammer sowie als anderes Sensorelektrodenpaar ein Thermoelement zur Messung der Zelltemperatur in der Reaktionskammer bewährt. Es ist aber auch denkbar, mit dem Sensorelektrodenpaar andere Messprinzipien umzusetzen oder auch anderen Messgrößen, wie z. B. Feuchte oder Dichte zu messen.

Von Vorteil ist ebenfalls, dass mit der Sensorhalteschablone auch mehrere Sensoren gleichzeitig in einer Reaktionskammer angeordnet werden können, wobei die Sensorelektrodenpaare dann nebeneinander, gegenüberliegend und/oder rechtwinklig zueinander positioniert sind. Dabei hat jeder einzelner Sensor nur einen imaginären Einfluss auf die Messergebnisse der jeweils anderen Sensoren.

Von Vorteil ist auch, dass auf der Sensorhalteschablone aus einem elastischen, temperatur- und druckbeständigen Material, vorzugsweise einem glasfaserverstärkten Epoxydharz wie das Leiterplattenmaterial FR4, besteht.

Von besonderem Vorteil ist, dass die Sensorhalteschablone eine geringe Dicke von ≤ 200 &mgr;m, insbesondere zwischen 100 &mgr;m und 200 &mgr;m, und die Elektroden jedes Sensorelektrodenpaars einen Durchmesser von 10 bis 100 &mgr;m aufweisen. Dadurch ist der Einsatz der neuen Vorrichtung in jeglicher planaren Brennstoffzelle sowie in Brennstoffzellenstapeln möglich. Weist die planare Brennstoffzelle Führungsstifte bzw. Führungsbolzen auf, so kann diese Brennstoffzelle nachträglich mit der Sensorhalteschablone einschließlich Sensor ausgerüstet werden, ohne konstruktive Änderungen an der Brennstoffzelle vorzunehmen. Für den Fall, dass die Brennstoffzelle keine Führungsstifte bzw. Führungsbolzen hat, kann die Sensorhalteschablone auch mit einer Anlegekante ausgeführt sein.

Von Vorteil ist auch, dass die Sensorhalteschablone Durchgangsbohrungen aufweist, die einen kraftschlüssigen Verbund mit der Brennstoffzelle ermöglichen. Durch den kraftschlüssigen Verbund ist der Sensor jederzeit austauschbar oder aus dem Brennstoffzellenstapel entfernbar.

Die Erfindung soll anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Dazu zeigen:

1: Ausschnittsweise Explosivdarstellung eines Brennstoffzellenstapels mit einer Einzelzelle,

2: Sensorhalteschablone in einem ersten Ausführungsbeispiel mit einer Bezugselektrode und einer Hilfselektrode,

3: Sensorhalteschablone in einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem Thermoelement,

4: Sensorhalteschablone mit zwei sich gegenüberliegenden Sensorelektronenpaaren,

5: Sensorhalteschablone mit zwei nebeneinander liegenden Sensorelektrodenpaaren und

6: Sensorhalteschablone mit zwei rechtwinklig zueinander liegenden Sensorelektrodenpaaren.

Ein Brennstoffzellenstapel 1 setzt sich aus mehreren, in abwechselnder Reihenfolge hintereinander angeordneter Bipolarplatten 2 und Membranen 3 zusammen, wobei, wie 1 zeigt, zwei benachbarte Bipolarplatten 2 mit der dazwischenliegenden Membran 3 eine Einzelzelle 4 ausbilden.

Jede Bipolarplatte 2 weist zwei Elektroden 5 auf, wobei die eine Elektrode 5 eine Anode 6 und die andere Elektrode 5 eine Katode 7 ist.

Die Membran 3, vorzugsweise eine Polymerelektrolytmembran, ist für den Ladungsträger eines Brennstoffes permeabel, wobei als Brennstoff entweder Wasserstoff in einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle oder Methanol in einer Direktmethanol-Brennstoffzelle verwendet wird.

Weiterhin besitzen die Bipolarplatte 2 und die Membran 3 jeweils vier Durchgangsbohrungen 8, durch die jeweils eine Spannschraube 9 hindurchgeführt ist und mit der die, in der 1 nicht dargestellten Endplatten zueinander verspannt werden. Dadurch liegen die jeweils benachbarten Bipolarplatten 2 mit ihren Dichtflachen 10 und der dazwischenliegenden Membran 3 druckkraftbelastet aufeinander auf. Dabei ist die von der Dichtfläche 10 umrandete innenliegende Teilfläche der Bipolarplatte 2 eine aktive Fläche 11, die zusammen mit der Membran 3 eine Reaktionskammer 12 ausbilden.

Zur Abdichtung der Reaktionskammern 12 ist zwischen den Dichtflächen 10 der Bipolarplatte 2 und der Membran 3 jeweils eine Dichtung 13 angeordnet.

Erfindungsgemäß ist zwischen Bipolarplatte 2 und Membran 3 außerdem eine Sensorhalteschablone 14 angeordnet, die in ihrer Auflage ein Abbild der Dichtfläche 10 einschließlich der vier Durchgangsbohrungen 8 ist. Der innenliegende Bereich der Sensorhalteschablone 14 ist dabei, entsprechend der aktiven Fläche 11 der Bipolarplatte 2, um die Reaktionskammer 12 ausgespart. Außerdem weist die Sensorhalteschablone 14 mindestens ein Sensorelektrodenpaar 15 auf, dass einerseits mit seinem Messkopf 16 in die Reaktionskammer 12 hineinragt und dessen Anschlüsse 17 sich außerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 befinden.

Die Sensorhalteschablone 14, die aus einem elastischen, temperatur- und druckbeständigen Material besteht, weist eine Dicke von ≤ 200 &mgr;m, insbesondere zwischen 100 &mgr;m und 200 &mgr;m, auf. Die Elektroden des Sensorelektrodenpaars 15, die einen Durchmesser von 10 bis 100 &mgr;m besitzen, sind über ihren Querschnitt in die Sensorhalteschablone 14 versenkt, so dass die Elektroden des Sensorelektrodenpaars 15 im Bereich der Sensorhalteschablone 14 durch diese Sensorhalteschablone 14 zueinander und gegenüber der Bipolarplatte 2 isoliert sind.

In einem ersten Ausführungsbeispiel in 2 ist das Sensorelektrodenpaar 15, entsprechend einer dynamischen Wasserstoffelektrode, als eine Bezugselektrode 18 und eine dazugehörige Hilfselektrode 19 zur Messung der Spannung oder der Impedanz der Elektrode 5 ausgelegt. Je nach Anordnung der Sensorhalteschablone 14 handelt es sich dabei um die Anoden- oder Kathodenspannung bzw. die Anoden- oder Kathodenimpedanz.

Dabei sind die in der Sensorhalteschablone 14 integrierte Bezugselektrode 18 und Hilfselektrode 19 jeweils aus Platin- oder mit Platin überzogene Titanstreifen ausgeführt. Beide Elektroden ragen einerseits in die Reaktionskammer 12 hinein und befinden sich somit nahe dem elektrochemisch aktiven Bereich. Andererseits weisen die Bezugselektrode 18 und Hilfselektrode 19 äußere Anschlüsse 17 auf.

Während des Betriebes des Brennstoffzellenstapels 1 sorgt eine in der 2 nicht dargestellte Konstantstromquelle für einen Stromfluss im &mgr;A-Bereich. Dadurch werden bei Einzelzellen 4 Protonen an der negativ geladenen Bezugselektrode 18 zu molekularem Wasserstoff reduziert und es kommt an der Bezugselektrode 18 zu einer Gleichgewichtseinstellung (H+/H2/Pt) mit einem definierten Potenzial. Das Potenzial der Bezugselektrode 18 hängt dabei von der elektrischen Stromdichte am Platin ab und lässt sich über die variable Konstantstromquelle steuern. Die Spannungen werden durch ein in der 2 nicht dargestellten Spannungsmesser als Spannungen zwischen Bezugselektrode 18 und Anode bzw. Bezugselektrode 18 und Kathode abgegriffen. Sonst übliche UI-Kennlinien, die die Summe aller Spannungen bzw. Überspannungen einer Einzelzelle bestehend aus Anode und Kathode in Abhängigkeit des Stromes darstellen, lassen sich in Anoden- und Kathodenspannungen bzw. Überspannungen auftrennen. Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit der Anode bzw. Kathode einer Einzelzelle können getrennt gezogen werden.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel in 3 ist das Sensorelektrodenpaar 15 als Thermoelement 20 zur Messung der Temperatur in der Reaktionskammer 12 ausgelegt. Hierzu besitzt das in der Sensorhalteschablone 14 integrierte Sensorelektrodenpaar 15 eine Platinelektrode 21 und eine Goldelektrode 22. Beide Elektroden sind einerseits in der Reaktionskammer 12 zu einem Messkopf 16 und andererseits außerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 zu einem Vergleichsmesskopf 21 vereint. Dabei liegt an diesem Vergleichsmesskopf 21 eine konstante Vergleichstemperatur an, die z. B. mit einem in der 3 nicht dargestellten Thermostat erzeugt wird.

Wie nach dem Seebeck-Effekt bekannt ist, liegen dann unterschiedliche elektrische Potenziale am Messkopf 16 und Vergleichsmesskopf 21 vor, wenn sich die Messtemperatur und die Vergleichstemperatur unterscheiden. Die elektrischen Potenziale des Messkopfs 16 und Vergleichsmesskopfs 21 werden über den Anschluss 17 durch einen, ebenfalls nicht in der 3 dargestellten Spannungsmesser als elektrische Spannung abgegriffen. Diese elektrische Spannung ist dann ein Maß für die Temperatur in der Reaktionskammer 12.

Beide zuvor vorgestellten Ausführungsbeispiele können durch die Anordnung eines zusätzlichen Sensorelektrodenpaares 15 oder mehrere zusätzlichen Sensorelektrodenpaare 15 erweitert werden.

So zeigt beispielhaft die 4 zwei sich gegenüberliegende Sensorelektrodenpaare 15, wobei das eine Sensorelektrodenpaar 15 mit der Bezugselektrode 18 und Hilfselektrode 19 zur Messung der Anoden- oder Kathodenspannung bzw. die Anoden- oder Kathodenimpedanz ausgestattet ist. Das andere Sensorelektrodenpaar 15 hingegen ist als Thermoelement 20 zur Temperaturmessung ausgelegt.

Auch lassen sich die beiden Sensorelektrodenpaare 15, wie die 5 zeigt, nebeneinander oder, wie 6 zeigt, im rechten Winkel zueinander anordnen.

Prinzipiell kann die Sensorhalteschablone 14 auch mit mehr als zwei Sensorelektrodenpaaren 15 ausgestattet werden, so dass an jeder Seite der Sensorhalteschablone 14 ein Sensorelektrodenpaar 15 ist oder mehrere Sensorelektrodenpaare 15 angeordnet sind.

Auch ist es denkbar Sensoren mit anderen Messprinzipien oder auch Sensoren mit anderen Messgrößen, z. B. zur Bestimmung der Feuchte oder Dichte in die Sensorhalteschablone 14 zu integrieren.

1
Brennstoffzellenstapel
2
Bipolarplatte
3
Membran
4
Einzelzelle
5
Elektrode
6
Anode
7
Kathode
8
Durchgangsbohrung
9
Spannschraube
10
Dichtfläche
11
aktive Fläche
12
Reaktionskammer
13
Dichtung
14
Sensorhalteschablone
15
Sensorelektrodenpaar
16
Messkopf
17
Anschluss der Sensorelektrode
18
Bezugselektrode
19
Hilfselektrode
20
Thermoelement
21
Vergleichsmesskopf


Anspruch[de]
Vorrichtung zur Halterung und Ausrichtung von einem oder mehreren Sensoren in der Reaktionskammer einer Brennstoffzelle, bei der jeder Sensor zwischen der Bipolarplatte (2) und der Membran (3) angeordnet sind, wobei der jeweilige Messkopf (16) eines Sensors in die zu überwachende Reaktionskammer (12) hineinragt und die Anschlüsse (17) der Sensoren sich außerhalb des Brennstoffzellestapels (1) befinden, dadurch gekennzeichnet, dass jede zu überwachende Reaktionskammer (12) eine Sensorhalteschablone (14) besitzt, wobei die Verbindungen zwischen Messkopf (16) und Anschlüsse (17) jedes Sensors in die Sensorhalteschablone (14) integriert sind. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorhalteschablone (14) in ihrer Auflage zwischen Bipolarplatte (2) und Membran (3) ein Abbild der Dichtfläche (10) der Bipolarplatten (2) und der innenliegende Bereich der Sensorhalteschablone (14) um die Reaktionskammer (12) ausgespart ist. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen zwischen Messkopf (16) und Anschlüsse (17) jedes Sensors ein Sensorelektrodenpaar (15) ist, wobei die Elektroden des Sensorelektrodenpaars (15) über ihren Querschnitt in der Sensorhalteschablone (14) versenkt sind, so dass die Elektroden des Sensorelektrodenpaars (15) im Bereich der Sensorhalteschablone (14) durch diese Sensorhalteschablone (14) zueinander und gegenüber der Bipolarplatte (2) isoliert sind. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sensorelektrodenpaare (15) nebeneinander, gegenüberliegend und/oder rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelektrodenpaar (15) eine Bezugselektrode (18) und eine dazugehöriger Hilfselektrode (19) zur Messung der elektrischen Spannung bzw. Überspannung oder Impedanz der Elektrode (5) ist. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugselektrode (18) und die Hilfselektrode (19) jeweils aus reinem Platin oder Titan mit einem Überzug von Platin bestehen. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelektrodenpaar (15) ein Thermoelement (20) zur Messung der Reaktionstemperatur in der Reaktionskammer (12) ist. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelektrodenpaar (15) eine Platinelektrode (21) und eine Goldelektrode (22) ist. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorhalteschablone (14) eine Dicke von ≤ 200 &mgr;m, insbesondere zwischen 100 &mgr;m und 200 &mgr;m, und die Elektroden jedes Sensorelektrodenpaars (15) einen Durchmesser von 10 bis 100 &mgr;m aufweisen. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden des Sensorelektrodenpaars (15) in ausgefräste Aussparrungen der Sensorhalteschablone (14) eingeklebt sind.






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