DE-102024132131-A1 - Verfahren zum Ermitteln von Flüssigkeitsansammlungen in einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzelle

Abstract

Bei einer Brennstoffzelle (1) und einem Verfahren zum Ermitteln von Flüssigkeitsansammlungen in einer Brennstoffzelle (1) sind mehrere Piezoelektrische Wafer-Aktivsensoren (12, 13) jeweils an einer Seitenrandfläche (8, 9) der Bipolarplatte (2) angeordnet. In einem Messschritt für die Ermittlung einer Flüssigkeitsansammlung werden Ultraschallwellen von einem ersten Piezoelektrische Wafer-Aktivsensor (12, 13) ausgesandt und von einem zweiten Piezoelektrischen Wafer-Aktivsensor (12, 13) erfasst. In einem Auswerteschritt wird durch eine Auswertung der mit dem zweiten Piezoelektrischen Wafer-Aktivsensor (12, 13) erfassten Ultraschallsignale eine Flüssigkeitsansammlung ermittelt.

Inventors

• Melanie Urallar
• Clemens Hansemann
• Steven Wagner

Assignees

• Technische Universität Darmstadt, Körperschaft des öffentlichen Rechts

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241105

Claims (15)

1. Verfahren zum Ermitteln von Flüssigkeitsansammlungen (27, 28, 29) in einer Brennstoffzelle (1), insbesondere in einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle (1), mit einer Bipolarplatte (2), wobei zwei Piezoakustikelemente beabstandet zueinander an der Brennstoffzelle (1) angeordnet sind, wobei in einem Messschritt für die Ermittlung einer Flüssigkeitsansammlung (27, 28, 29) Ultraschallwellen von einem ersten Piezoakustikelement ausgesandt und von einem zweiten Piezoakustikelement erfasst werden, und wobei in einem Auswerteschritt durch eine Auswertung der mit dem zweiten Piezoakustikelement erfassten Ultraschallsignale (21, 22) eine Flüssigkeitsansammlung (27, 28, 29) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet , dass die zwei Piezoakustikelemente jeweils als Piezoelektrische Wafer-Aktivsensoren (12, 13, 14, 15) ausgebildet und jeweils an einer Seitenrandfläche (8, 9, 10, 11) der Bipolarplatte (2) so festgelegt sind, dass sich die in dem Messschritt mit einem ersten Piezoelektrischen Wafer-Aktivsensor (12, 13, 14, 15) emittierten Ultraschallwellen parallel zu einer einer Elektrode (3) zugewandten Außenfläche (5, 6) der Bipolarplatte (2) durch die Bipolarplatte (2) hindurch ausbreiten und mit einem zweiten Piezoelektrischen Wafer-Aktivsensor (12, 13, 14, 15) an einer Seitenrandfläche (8, 9, 10, 11) der Bipolarplatte (2) Ultraschallsignale (21, 22) erfassbar sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass der zweite Piezoelektrische Wafer-Aktivsensor (12, 13, 14, 15) an einer zweiten Seitenrandfläche (8, 9, 10, 11) der Bipolarplatte (2) angeordnet ist, welche gegenüberliegend zu der ersten Seitenrandfläche (8, 9, 10, 11) der Bipolarplatte (2) angeordnet ist, und dass in dem Auswerteschritt die sich quer über die Bipolarplatte (2) von dem ersten zu dem zweiten Piezoelektrischen Wafer-Aktivsensor (12, 13, 14, 15) ausbreitenden Ultraschallwellen erfasst werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet , dass entlang einer ersten Seitenrandfläche (8, 9, 10, 11) der Bipolarplatte (2) mehrere Piezoelektrische Wafer-Aktivsensoren (12, 13, 14, 15) nebeneinander angeordnet sind, und dass entlang einer zweiten, der ersten Seitenrandfläche gegenüberliegenden Seitenrandfläche (8, 9, 10, 11) mehrere Piezoelektrische Wafer-Aktivsensoren (12, 13, 14, 15) nebeneinander angeordnet sind, und dass in dem Messschritt nacheinander mit den Piezoelektrischen Wafer-Aktivsensoren (12, 13, 14, 15) an der ersten Seitenrandfläche (8, 9, 10, 11) Ultraschallwellen emittiert werden und von mindestens einem Piezoelektrischen Wafer-Aktivsensor (12, 13, 14, 15) an der zweiten Seitenrandfläche (8, 9, 10, 11) Ultraschallsignale (21, 22) erfasst werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet , dass während des Messschritts für die von einem Piezoelektrischen Wafer-Aktivsensor (12, 13, 14, 15) an der ersten Seitenrandfläche (8, 9, 10, 11) emittierten Ultraschallwellen mit mehreren Piezoelektrischen Wafer-Aktivsensoren (12, 13, 14, 15) an der zweiten Seitenrandfläche (8, 9, 10, 11) Ultraschallsignale erfasst werden und durch einen Vergleich der jeweiligen Ultraschallsignale (21, 22) ein Ort der Flüssigkeitsansammlung (27, 28, 29) in der Bipolarplatte (2) ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass an allen Seitenrändern (8, 9, 10, 11) der Bipolarplatte (2) jeweils mindestens ein Piezoelektrischer Wafer-Aktivsensor (12, 13, 14, 15) angeordnet ist, und dass in dem Messschritt nacheinander von mehreren Piezoelektrischen Wafer-Aktivsensoren (12, 13, 14, 15), die an mindestens zwei benachbart zueinander angeordneten Seitenrandflächen (8, 9, 10, 11) angeordnet sind, Ultraschallwellen emittiert werden, für welche von mindestens einem jeweils zugeordneten und an einer gegenüberliegenden Seitenrandfläche (8, 9, 10, 11) angeordneten Piezoelektrischen Wafer-Aktivsensor (12, 13, 14, 15) Ultraschallsignale (21, 22) erfasst werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet , dass entlang jeder Seitenrandfläche (8, 9, 10, 11) mehrere Piezoelektrische Wafer-Aktivsensoren (12, 13, 14, 15) angeordnet sind, und dass in dem Messschritt nacheinander von allen an mindestens zwei benachbart zueinander angeordneten Seitenrandflächen (8, 9, 10, 11) angeordneten Piezoelektrischen Wafer-Aktivsensoren (12, 13, 14, 15) Ultraschallwellen emittiert werden, für welche von allen an einer jeweils gegenüberliegenden Seitenrandfläche (8, 9, 10, 11) angeordneten Piezoelektrischen Wafer-Aktivsensoren (12, 13, 14, 15) Ultraschallsignale (21, 22) erfasst werden.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass während des Messschritts ein Piezoelektrischer Wafer-Aktivsensor (12, 13, 14, 15) durch einen Spannungspuls zu Schwingungen angeregt wird und Ultraschallwellen mit unterschiedlichen Frequenzen emittiert.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass in dem Auswerteschritt zunächst eine Signaldifferenz (25) von Ultraschallsignalen (21, 22) gebildet und ausgehend von dieser Signaldifferenz (25) eine Flüssigkeitsansammlung (27, 28 29) ermittelt wird, wobei die Signaldifferenz (25) der Ultraschallsignale (21, 22) ausgehend von einem vorab durchgeführten Referenzerfassungsschritt von Referenzultraschallsignalen in einem Referenzzustand der Bipolarplatte (2) ohne Flüssigkeitsansammlungen (27, 28, 29) und der Erfassung der Ultraschallsignale (21, 22) in dem Messschritt als Differenz der Referenzultraschallsignale und der in dem Messschritt gemessenen Ultraschallsignale (21, 22) zwischen denselben ersten und zweiten Piezoelektrischen Wafer-Aktivsensoren (12, 13, 14, 15) entlang desselben Verlaufs eines zugeordneten Ausbreitungspfads (16, 17, 18, 19, 20) bestimmt wird.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass in dem Auswerteschritt eine Fouriertransformation (26) der gemessenen Ultraschallsignale (21, 22) und gegebenenfalls der vorab gemessenen Referenzultraschallsignale durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass in einem vorab durchgeführten Referenzmessungsschritt für verschiedene während eines Messschritts durchgeführten Messvorgänge jeweils eine Anzahl von Referenzmessungen mit unterschiedlich vorgegebenen Flüssigkeitsansammlungen (27, 28, 29) durchgeführt werden und für die mit den einzelnen Referenzmessungen erfassten Referenzultraschallsignale ein Kennfeld erzeugt wird, und dass in dem Auswerteschritt Eigenschaften einer festgestellten Flüssigkeitsansammlung (27, 28, 29) durch einen Vergleich mit den Referenzultraschallsignalen des Kennfelds ermittelt werden.
11. Brennstoffzelle (1), insbesondere Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle (1), mit einer Bipolarplatte (2), wobei zwei Piezoakustikelemente beabstandet zueinander an der Brennstoffzelle (1) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet , dass die zwei Piezoakustikelemente jeweils als Piezoelektrische Wafer-Aktivsensoren (12, 13, 14, 15) ausgebildet und jeweils an einer Seitenrandfläche (8, 9, 10, 11) der Bipolarplatte (2) so festgelegt sind, dass sich die in dem Messschritt mit einem ersten Piezoelektrischen Wafer-Aktivsensor (12, 13, 14, 15) emittierten Ultraschallwellen parallel zu einer einer Elektrode (3) zugewandten Außenfläche (5, 6) der Bipolarplatte (2) durch die Bipolarplatte (2) hindurch ausbreiten können und mit einem zweiten Piezoelektrischen Wafer-Aktivsensor (12, 13, 14, 15) an einer Seitenrandfläche (8, 9, 10, 11) der Bipolarplatte (2) erfassbar sind.
12. Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet , dass an zwei einander gegenüberliegenden Seitenrandflächen (8, 9, 10, 11) der Bipolarplatte (2) jeweils mindestens ein Piezoelektrischer Wafer-Aktivsensor (12, 13, 14, 15) festgelegt ist.
13. Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 11 oder Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet , dass an allen Seitenrandflächen (8, 9, 10, 11) der Bipolarplatte (2) jeweils mehrere Piezoelektrische Wafer-Aktivsensoren (12, 13, 14, 15) nebeneinander entlang der betreffenden Seitenrandfläche (8, 9, 10, 11) festgelegt sind.
14. Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13 , dadurch gekennzeichnet , dass jeder einzelne Piezoelektrische Wafer-Aktivsensor (12, 13, 14, 15) mit einer in geeigneter Weise eingerichteten Steuer- und Signalerfassungseinrichtung verbunden ist.
15. Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14 , dadurch gekennzeichnet , dass die Piezoelektrischen Wafer-Aktivsensoren (12, 13, 14, 15) datenübertragend mit einer Auswerteeinrichtung verbunden sind, mit welcher ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 durchgeführt werden kann.

Description

Verfahren zum Ermitteln von Flüssigkeitsansammlungen in einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzelle Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Flüssigkeitsansammlungen in einer Brennstoffzelle, insbesondere in einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle, mit einer Bipolarplatte, wobei zwei Piezoakustikelemente beabstandet zueinander an der Brennstoffzelle angeordnet sind, wobei in einem Messschritt für die Ermittlung einer Flüssigkeitsansammlung Ultraschallwellen von einem ersten Piezoakustikelement ausgesandt und von einem zweiten Piezoakustikelement erfasst werden, und wobei in einem Auswerteschritt durch eine Auswertung der mit dem zweiten Piezoakustikelement erfassten Ultraschallsignale eine Flüssigkeitsansammlung ermittelt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle, mit einer Bipolarplatte, wobei zwei Piezoakustikelemente beabstandet zueinander an der Brennstoffzelle angeordnet sind. Bei Brennstoffzellen und insbesondere bei Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen wird ein Wassergehalt der Brennstoffzelle als besonders wichtig für einen effizienten Betrieb der Brennstoffzelle und für eine lange Nutzungsdauer der Brennstoffzelle angesehen. Wird die Brennstoffzelle zu trocken bzw. mit zu geringer Feuchtigkeit innerhalb der Brennstoffzelle betrieben, nimmt die Durchlässigkeit einer zwischen den Elektroden angeordneten Membran ab, welche durch die Bipolarplatten mit Reaktionsgases versorgt wird, wodurch eine Reaktionsrate reduziert und die Effizienz der Brennstoffzelle verringert wird. Sammelt sich dagegen zu viel Feuchtigkeit bzw. flüssiges Wasser in der Brennstoffzelle an, kann das überschüssige Wasser nicht während des regulären Betriebs der Brennstoffzelle zusammen mit den Reaktionsgasen dampfförmig aus der Brennstoffzelle ausgetragen werden, sondern setzt sich in Form von Flüssigkeitsansammlungen in der Brennstoffzelle ab und kann dabei die Membran bzw. vorgegebene Strömungskanäle in der Bipolarplatte verstopfen, wodurch ebenfalls eine Reaktionsrate reduziert und die Effizienz der Brennstoffzelle verringert wird. Zudem können Flüssigkeitsansammlungen, die nach einer Beendigung des Betriebs in der Brennstoffzelle verbleiben, bei niedrigen Temperaturen gefrieren und aufgrund der Ausdehnung des gefrorenen Wassers die Brennstoffzelle beschädigen. Es wird deshalb eine möglichst gute Kenntnis des Feuchtigkeitsgehalts und insbesondere von sich gegebenenfalls bildenden Flüssigkeitsansammlungen während des Betriebs der Brennstoffzelle angestrebt. Aus der Praxis sind zahlreiche Verfahren bekannt, mit denen auf der Grundlage von unterschiedlichen Messprinzipien und Messmethoden der Feuchtigkeitsgehalt und gegebenenfalls einzelne Flüssigkeitsansammlungen in einer Brennstoffzelle abgeschätzt werden können. Mit Hilfe eines optisch transparenten Zugangs in einen Innenraum der Brennstoffzelle kann mit einem geeigneten optischen Abbildungssystem eine direkte Visualisierung des Feuchtigkeitsgehalts in dem Innenraum der Brennstoffzelle erfolgen und ausgewertet werden. Dabei müssen entweder optisch transparente Bereiche oder Löcher in einem Gehäuse der Brennstoffzelle ausgebildet sein, sodass mit einer Kamera ein Bereich des Innenraums der Brennstoffzelle optisch erfasst und abgebildet werden kann. Alternativ kann auch ein Bereich des Innenraums, beispielsweise ein Strömungskanal einer Bipolarplatte, mit einem Laserlichtstrahl durchleuchtet und der Laserlichtstrahl nach der Durchleuchtung eines Bereichs bzw. eines Strömungskanals wieder erfasst und ausgewertet werden. Es wird als Nachteil erachtet, dass die Brennstoffzelle für derartige Visualisierungen modifiziert und optisch zugänglich gemacht werden muss. Zudem ist eine Durchleuchtung mit einem Laserlichtstrahl von einer Vielzahl von möglichen Beeinflussungsfaktoren abhängig, sodass die dadurch gewonnenen Erkenntnisse oftmals fehlerbehaftet und ungenau sind. Im Labor konnte ein Feuchtigkeitsgehalt einer Brennstoffzelle mit Hilfe von Bestrahlungen ermittelt werden, wobei beispielsweise eine Neutronentomografie, eine Elektronenmikroskopie oder eine Bestrahlung mit Röntgenstrahlung durchgeführt wurden und bei einer nachfolgenden Auswertung ein Feuchtigkeitsgehalt abgeschätzt oder einzelne Flüssigkeitsansammlungen identifiziert werden konnten. Derartige Messverfahren sind sehr aufwendig und können ausschließlich zu Forschungszwecken an einzelnen Brennstoffzellen im Labor durchgeführt werden. Es wurden auch Ultraschallprüfungen eines Feuchtigkeitsgehalts einer Brennstoffzelle und insbesondere einer in der Brennstoffzelle angeordneten Bipolarplatte durchgeführt, wobei mit einem ersten Piezoakustikelement eine Ultraschallwelle in die Brennstoffzelle eingeleitet wird und mit einem zweiten Piezoakustikelement, welches üblicherweise in einem Abstand zu dem ersten Piezoakustikelement an der Brennstoffzelle angeordnet ist, ein Ultraschallsignal der sich durch die Brennstoffzelle ausbreitenden Ultra