AT413616B - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung von betriebsparametern von einzelzellen oder kurzstacks von brennstoffzellen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur bestimmung von betriebsparametern von einzelzellen oder kurzstacks von brennstoffzellen Download PDF

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Description

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AT 413 616 B
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von Betriebsparametern von Einzelzellen oder Kurzstacks von Brennstoffzellen, vorzugsweise von Mittel- oder Hochtemperaturbrennstoffzellen. Beispielsweise werden die Betriebsparameter von Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) oder von Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC) bestimmt. 5
Derartige Vorrichtung und Verfahren dienen zur Charakterisierung und Überprüfung von Brennstoffzellen Einzelzellen oder kurzen Zellstapeln beispielsweise in deren Abhängigkeit von der Temperaturverteilung über der Zellfläche. io Einzelzellen und Kurzstacks von z.B. Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) müssen in der Entwicklung und ggf. auch in der Qualitätssicherung bezüglich ihrer Betriebseigenschaften vermessen werden. Diese Prüf- und Qualitätssicherungsverfahren werden zur Gewährleistung einer hohen und gleichmäßigen Umgebungstemperatur bisher in einem Ofen durchgeführt in welcher Temperaturen im Bereich von 300 °C bis 1000 °C aufrecht erhalten kann. 15
Die Temperaturverteilung in der Ebene der Zellfläche wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst. Bei der SOFC sind dies vor allem die Strömungsorientierung von Anode zu Kathode (cross-, co-, counter-flow) und der interne Umsatz der Reformierungsreaktion auf der Anodenseite, sowie der Volumenstrom und die Eintrittstemperatur der Kühlluft. Weiters beeinflusst 20 natürlich die Gestaltung der Strömungsfelder („flow field design“) die Temperaturverteilung.
Die zu lösenden Probleme stellen sich wie folgt dar: - Die bei der Überprüfung der Einzelzelle ermittelten Daten sollen möglichst direkt auf die 25 Eigenschaften eines ganzen Brennstoffzellenstapels bzw. Brennstoffzellenstack schließen lassen. Ein Ofen kann die ungleichen Temperaturverteilung über der Zellfläche, die im Stack vor und hinter der untersuchten Zelle folgen würden, nur durch eine konstante Temperatur simulieren. - Weiters ist keine gezielte Einstellung von Temperaturverteilungen möglich, um zum Beispiel 30 den Einfluss anderer Temperaturverteilungen auf die Zelleigenschaften (elektrische Leistung, Lebensdauer bzw. Standzeit, etc.) zu untersuchen. - Wegen der mit einem schlechten Wirkungsgrad behafteten Wärmeübertragung der erhitzten Ofenluft zum Brennstoffzellenstack bzw. der Einzelzelle im Ofen sind die Heizleistungen begrenzt. Somit ist nur ein langsames Aufheizen möglich. 35 - Die bei der Aufheizung einer SOFC aus vielen Einzelzellen entstehenden Gradienten kön nen nicht realistisch abgebildet, d.h. der Einzelzelle aufgeprägt werden. - Parameter für Simulationsmodelle müssen aus experimentellen Betriebsdaten abgeleitet werden, die bei einer ungleichen und schlecht messbaren Temperaturverteilung bestimmt werden. 40
Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von Vorrichtungen und einem Verfahren zur Messung von Betriebsparametern von Einzelzellen oder Kurzstacks von Mittel- oder Hochtemperaturbrennstoffzellen der eingangs beschriebenen Art, Verbesserungen derart vorzuschlagen, dass die in einem Brennstoffzellenstack herrschenden Temperaturverhältnisse für Entwicklungs- und 45 Qualitätssicherungszwecke besser simuliert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass parallel zur Brennstoffzellen-Ebene an eine oder bevorzugt an beide Außenflächen der Einzelzelle oder des Kurzstacks flächige Heizelemente angepresst werden, sowie dass über die Heizelemente eine vorgebbare Tempe-50 ratur TH für die Brennstoffzelle eingestellt und zumindest ein Betriebsparameter der Brennstoffzelle in Abhängigkeit der eingestellten Temperatur gemessen wird. In Abhängigkeit der Temperatur TH oder des zeitliche Verlaufs von TH können beispielsweise Parameter wie die Temperatur, Strom- und Spannungswerte, die Zusammensetzung der Prozessgase, der Prozessgasdruck oder aber auch die Lebensdauer der Brennstoffzelle oder einzelner Bestandteile der 55 Brennstoffzelle bestimmt werden. 3
AT 413 616 B
Die oben angeführten Probleme können somit durch direkt oder über eine Zwischenschicht an der Einzelzelle anliegende Heizplatten gelöst werden, wobei die Heizplatten flächig aufgepresst werden, um die zum Betrieb der Zelle notwendige Spannkraft auf die Zelle zu leiten. Damit kann ein zeitlicher Temperaturverlauf bzw. Temperaturgradient vorgegeben werden, mit welchem 5 unterschiedliche Betriebszustände der Brennstoffzelle, wie Start, Lastwechsel oder Dauerbetrieb, simuliert werden können.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann durch eine Unterteilung der flächigen Heizelemente in einzelne, separat ansteuerbare Segmente eine flächige Temperaturverteilung bzw. ein io flächiger Temperaturgradient vorgegeben werden.
So können einerseits vorgebbare Temperaturfelder im Prüfling generiert werden, oder andererseits die Temperaturverteilung eingestellt werden, die sich in einem großen Zellverbund ergeben würde. 15
Damit können Eigenschaften eines ganzen Brennstoffzellen-Stapels an einer Einzelzelle gemessen werden. Hierzu muss die sich im Betrieb des Stapels bildende Temperaturerteilung (die sogenannte intrinsische Temperaturverteilung) gefunden und von außen simuliert werden. 20 Beispielsweise kann erfindungsgemäß die Temperatur Tz in der Brennstoffzelle und die Temperatur TH im Heizelement oder in den einzelnen Heizelementsegmenten gemessen und die Temperatur TH im Heizelement derart geregelt werden, dass die Heizleistung einer angrenzenden Nachbarzelle simuliert wird. 25 Dazu wird bei konstanten, realistischen Betriebsbedingungen (bekannten Gaseintrittstemperaturen, konstanten Anoden- und Kathoden-Stöchiometrien, konstantem elektrischem Strom) die Temperatur TH im Heizelementsegment variiert. Es ergibt sich ein Temperaturverlauf Tz, mit welchem die intrinsische Temperatur T, bestimmt werden kann (siehe detaillierte Beschreibung zu Fig. 8). 30
Um extreme Temperaturgradienten zu erzeugen, kann die Temperatur Tz der Brennstoffzelle zusätzlich durch Anbringen und Entfernen von äußeren Isolierelementen oder durch aktive Kühlelemente eingestellt oder variiert werden. 35 Erfindungsgemäß kann weiters durch eine zyklische Ausprägung extremer zeitlicher und/oder flächiger Temperaturgradienten ein beschleunigter Alterungsprozess der Brennstoffzelle simuliert werden. Auf diese Weise können in kurzen Versuchsläufen rasch Schwachstellen einer neuen Entwicklung aufgedeckt werden. Weiters kann auf die Lebensdauer bzw. Standzeit im Normalbetrieb der Brennstoffzelle geschlossen werden. 40
Schließlich können durch Simulationsmodelle oder Modellrechnungen bestimmte elektrochemische Parameter der Brennstoffzelle mit den gemessenen Werten für diese Parameter verglichen und die Simulationsmodelle entsprechend angepasst werden. Hierzu kann zum Beispiel der Brennstoffzelle ein komplett isothermer Betrieb aufgeprägt werden, so daß die gemessenen 45 Parameter (z.B. reaktionskinetische Größen) einer Temperatur zugeordnet werden können.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass parallel zur Brennstoffzellen-Ebene an einer oder bevorzugt an beiden Außenflächen der Einzelzelle oder des Kurzstacks flächige Heizelemente angeordnet sind, welche so mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung zur Einstellung einer vorgebbaren Temperatur verbunden sind.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. 55 Es zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäße Messvorrichtung für eine Einzelzelle einer SOFC in 4
AT 413 616 B einer Schnittdarstellung, Fig. 2 eine Ausführungsvariante der Messvorrichtung in einer Schnittdarstellung gemäß Fig. 1, Fig. 3 eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einer Schnittdarstellung, Fig. 4 die Messvorrichtung gemäß Fig. 3 in einer Schrägansicht, Fig. 5 eine weiter Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 5 in einer Schnittdarstellung, Fig. 6 die Messvorrichtung gemäß Fig. 5 in einer Schrägansicht, Fig. 7 eine weiter Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einer Schnittdarstellung sowie Fig. 8 ein Diagramm mit einer sich anhand von realistischen Materialwerten ergebenden Temperaturkurve. io Fig. 1 zeigt eine Messvorrichtung 1 für Einzelzellen 2 von Mittel- oder Hochtemperaturbrennstoffzellen, vorzugsweise von Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) oder von Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC). Zur Simulation eines vorgebbaren Temperaturverlaufs sind parallel zur Brennstoffzellen-Ebene ε an einer oder bevorzugt an beiden Außenflächen 3 der Einzelzelle 2 flächige Heizelemente 4 angeordnet, welche mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 5 zur 15 Einstellung und Regelung einer vorgebbaren Temperatur verbunden sind.
Zum Anpressen der Heizelemente 4 an die Außenflächen 3 der Einzelzelle 2 ist eine in Fig. 1 nur schematisch angedeutete Spannvorrichtung 6 vorgesehen. Mit 7 und 8 sind die Zu- bzw. Ablaufleitungen für die Prozessgase gekennzeichnet. 20
Wie in der Ausführungsvariante gemäß Fig. 2 dargestellt, kann jedes der Heizelemente 4 in mehrere, separat ansteuerbare Segmente 4a, 4b, bzw. 4a’, 4b' unterteilt sein, um einen flächigen bzw. örtlichen Temperaturgradienten erzeugen zu können. Dargestellt ist hier ein aus zwei Einzelzellen 2 bestehender Kurzstack 10. 25
Bei der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsvariante sind in der Einzelzelle 2 und in den Heizelementen 4 Temperatursensoren 9, 9' im Wesentlichen übereinander angeordnet, welche mit einem Regelkreis in der Steuer- und Auswerteeinrichtung 5 verbunden sind. Weiters weisen die Heizelemente 4 äußere, thermische Isolierelemente 11 an der Oberseite und an der 30 Unterseite sowie Isolierelemente 1T an den Seitenflächen auf, welche einzeln abnehmbar sind, sodass unterschiedliche Temperaturgradienten erzeugt werden können. Zwischen dem Heizelement 4 und der Oberfläche der Einzelzelle 2 können auch Übertragungselemente (nicht dargestellt) eingeschoben sein, die den Anpressdruck verteilen oder den Wärmestrom gezielt in Teilflächen der Einzelzelle 2 einleiten. Um den Wärmestrom in oder aus der Brennstoffzelle 35 exakter messen zu können, kann auch eine dünne, thermisch isolierende Zwischenschicht 14 zwischen Heizelement 4 und Brennstoffzelle angebracht sein. So entstehen für einen gegebenen Wärmestrom höhere und damit besser messbare Temperaturunterschiede an den Messpunkten der Temperatursensoren 9, 9'. Zusätzlich zu den Temperatursensoren 9, 9' oder anstelle der Temperatursensoren können auch Wärmeflusssensoren angeordnet sein. Mit 15 und 40 16 sind diverse elektrische Anschlüsse für den Brennstoffzellenstrom und die Heizelemente bezeichnet.
Bei der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsvariante der Messvorrichtung 1 ist jedes der Heizelemente 4 in mehrere, separat ansteuerbare Segmente 4a, 4b, 4c und 4d bzw. 4a', 45 4b', 4c' und 4d' unterteilt. Die äußere Isolierung 11 bzw. 11' ist zur besseren Übersicht abge nommen, kann jedoch auch entsprechend segmentiert sein. Weiters kann zwischen den an einer Außenfläche 3 der Einzelzelle 2 angeordneten Heizelementsegmenten 4a, 4b, 4c, und 4d bzw. 4a', 4b', 4c', und 4d' jeweils ein thermische Isolierelemente 13 angeordnet sein. Die einzelnen Segmente sind dadurch zueinander thermisch isoliert und beeinflussen sich gegenseitig so nicht.
Es ist weiters möglich in die äußeren Isolierelementen 11, 1T (siehe Fig. 3) und/oder in die zwischen den Heizelementsegmenten 4a bis 4d' angeordneten Isolierelemente 13 (siehe Fig. 5) aktive Kühlelemente 12, beispielsweise Wärmetauscher für ein Kühlmedium, einzubauen. Die 55 Wärmeabfuhr nach außen für jedes Segment 4a bis 4d' kann daher entweder durch Verändern 5
AT 413 616 B der thermischen Isolation 11,11' oder/und durch aktive Kühlung von außen modifiziert werden.
Die nicht im Detail dargestellten Gasanschlüsse, die elektrische Kontaktierung und die Temperatur-Messung der Einzelzellen 2 kann über Anpressen an die begrenzenden Schichten der 5 Einzelzelle, die sogenannten Interkonnektoren, erfolgen. (Die Interkonnektoren sind eine elektrisch leitende gasdichte Schichten, die Kathodengase von den Anodengasen der nächsten Zelle im Zellverbund trennen.) Durch die äußere mechanische Kraft (Spannmechanismus gemäß Fig. 3 oder 4) können Dichtungen komprimiert werden, die die Gasanschlüsse abdichten. Ebenfalls mit Hilfe der äußeren Kraft kann die elektrische Kontaktierung zur Stromabführung io oder zur Messung der Zellspannung realisiert werden. Auch Temperatursensoren können so an die Zelle angepresst werden.
Strom und Spannung der Brennstoffzelle können, wie die Temperatur, an flächig verteilten Stellen der Interkonnektoren gemessen bzw. abgenommen werden. Bei sehr dünnen Interkon-15 nektoren (Dicke < 1 mm) oder solchen mit einer niedrigen elektrischen Leitfähigkeit ist es meist unverzichtbar, den Strom über der Brennstoffzellenfläche an mehreren Stellen flächig abzunehmen. Ansonsten würden sich große ohmsche Leitungsverluste beim Durchströmen der dünnen Interkonnektoren ergeben, die die Messergebnisse verfälschen. Für den Fall schlecht leitfähiger Interkonnektoren wird in den bisher beschriebenen Aufbau (siehe Fig. 5) in der isolie-20 renden Zwischenschicht 14 ein Stromsammler 17 mit flächig verteilten Kontaktstellen angeordnet. Eine derartige Ausführungsvariante ist in Fig. 7 beschrieben.
Diese Stromsammler 17 können in mehrere separat kontaktierbare Segmente 17a, 17b, 17a' 17b' unterteilt sein und somit z.B. eine den Heizelementen 4a bis 4b’ entsprechende Segmen-25 tierung aufweisen.
So ist eine nach Segmenten aufgelöste Strom- und Spannungsmessung möglich. Darüber hinaus können den einzelnen Segmenten Ströme aufgeprägt werden und zugehörige elektrische Diagnoseverfahren wie Impedanz-Spektroskopie durchgeführt werden. 30
Gemäß Diagramm in Fig. 8 wird die Temperatur TH im Heizelementsegment variiert. Es ergibt sich der dargestellte Temperaturverlauf Tz in der Einzelzelle. Bei jener TH, wo Tz bei steigendem TH von Tz > TH zu Tz < TH übergeht, kann die intrinsische Temperatur T, bestimmt werden. 35 Nach Bestimmung von T ist zusätzlich eine Kompensation der Wärmeleitung in den Interkonnektoren und ggf. vorhandenen Stromsammlern 17 gemäß Fig. 7 erforderlich. Die Einzelzelle 2 wird durch zwei Interkonnektoren begrenzt. In einem realen Zellstapel wären nur zwei halbe Interkonnektoren der Einzelzelle zuzuordnen, weil die angrenzenden Zellen diese Interkonnektoren ebenfalls verwenden. Daher muss die Wärmeleitung, die durch einen der beiden Inter-40 konnektoren erfolgt, kompensiert werden. Auch die ggf. vorhandenen Stromsammler tragen zur planaren Wärmeleitung bei. Ihr Einfluß auf T, muß ebenfalls rechnerisch ermittelt werden. In die Kompensationsrechnung gehen also die gemessenen T in den Segmenten und die Wärmeleitung durch die beschriebenen zusätzlichen Komponenten ein. Ergebnis der Kompensationsrechnung sind Tj(berechnet), die sich im realen Zellverbund einstellen würden. 45
Um die Zelle bei der realen intrinsischen Temperaturverteilung zu betreiben sind die in der Kompensationsrechnung ermittelten Temperaturen mithilfe der Heizelemente der Zelle aufzuprägen. so Neben der direkteren Übertragung der Einzelzellen-Messergebnisse auf die Verhältnisse im Brennstoffzellenstack ergeben sich somit folgende wertvolle Untersuchungsmöglichkeiten an Einzelzellen und kurzen Zellstapeln: - Simulationsmodelle für SOFC-Brennstoffzellen können umfassend validiert werden, indem 55 zum Beispiel verschiedene Temperaturverteilungen aufgeprägt und die sich ergebenden

Claims (20)

  1. 6 AT 413 616 B elektrochemischen Eigenschaften mit den Simulationsergebnissen verglichen werden. - Transiente Vorgänge und insbesondere der Start kann realistisch nachgebildet werden. - Die minimal erreichbare Startzeit bei weitgehend gradientenfreier Aufheizung kann untersucht werden.
  2. 5 - Durch die zyklische Aufprägung von extremen Gradienten können beschleunigte Alterungs versuche definiert und durchgeführt werden. Patentansprüche: 10 1. Verfahren zur Bestimmung von Betriebsparametern von Einzelzellen oder Kurzstacks von Brennstoffzellen, vorzugsweise von Mittel- oder Hochtemperaturbrennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Brennstoffzellen-Ebene an eine oder bevorzugt an beide Außenflächen der Einzelzelle oder des Kurzstacks flächige Heizelemente angepresst wer- 15 den, sowie dass über die Heizelemente eine vorgebbare Temperatur TH für die Brennstoffzelle eingestellt und zumindest ein Betriebsparameter der Brennstoffzelle in Abhängigkeit der eingestellten Temperatur TH, gemessen wird.
  3. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Temperaturver- 20 lauf bzw. Temperaturgradient vorgegeben wird, mit welchem unterschiedliche Betriebszustände der Brennstoffzelle, wie Start, Lastwechsel oder Dauerbetrieb, simuliert werden.
  4. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Unterteilung der flächigen Heizelemente in einzelne, separat ansteuerbare Segmente eine flächige 25 Temperaturverteilung bzw. ein flächiger Temperaturgradient vorgegeben wird.
  5. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine zyklische Ausprägung extremer zeitlicher und/oder flächiger Temperaturgradienten ein beschleunigter Alterungsprozess der Brennstoffzelle simuliert wird. 30
  6. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch Simulationsmodelle oder Modellrechnungen bestimmte elektrochemische Parameter der Brennstoffzelle mit den gemessenen Werten für diese Parameter verglichen und die Simulationsmodelle entsprechend angepasst werden. 35
  7. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur Tz in der Brennstoffzelle und die Temperatur TH im Heizelement oder in den einzelnen Heizelementsegmenten gemessen und die Temperatur TH im Heizelement derart geregelt werden, dass die Heizleistung einer angrenzenden Nachbarzelle simuliert wird. 40
  8. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur Tz der Brennstoffzelle zusätzlich durch Anbringen und Entfernen von äußeren Isolierelementen oder durch aktive Kühlelemente eingestellt oder variiert wird.
  9. 8. Vorrichtung (1) zur Bestimmung von Betriebsparametern von Einzelzellen (2) oder Kurzstacks (10) von Brennstoffzellen, vorzugsweise von Mittel- oder Hochtemperaturbrennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Brennstoffzellen-Ebene (ε) an einer oder bevorzugt an beiden Außenflächen (3) der Einzelzelle (2) oder des Kurzstacks (10) flächige Heizelemente (4) angeordnet sind, welche mit einer Steuer- und Auswerteein- 50 richtung (5) zur Einstellung einer vorgebbaren Temperatur verbunden sind.
  10. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Einzelzelle (2) und in den Heizelementen (4) Temperatursensoren (9, 9’) angeordnet sind, welche mit einem Regelkreis in der Steuer- und Auswerteeinrichtung (5) verbunden sind. 55 7 AT 413 616 B
  11. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Heizelemente (4) in mehrere, separat ansteuerbare Segmente (4a, 4b, 4c,...) unterteilt ist.
  12. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Heiz-5 elemente (4) oder deren Segmente (4a, 4b, 4c,...) abnehmbare, äußere Isolierelemente (11, 11') aufweisen.
  13. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den an einer Außenfläche (3) der Einzelzelle (2) angeordneten Heizelementsegmenten io (4a, 4b, 4c,...) thermische Isolierelemente (13) angeordnet sind.
  14. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Isolierelemente (11, 11') und/oder die zwischen den Heizelementsegmenten (4a, 4b, 4c,...) angeordneten Isolierelemente (13) aktive Kühlelemente (12), beispielsweise 15 Wärmetauscher für ein Kühlmedium, aufweisen.
  15. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Außenflächen (3) der Einzelzelle (2) und den Heizelementen (4) oder Heizelementsegmenten (4a, 4b, 4c,...) eine dünne thermisch isolierende Zwischenschicht (14) ange- 20 ordnet ist.
  16. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der isolierenden Zwischenschicht (14) ein Stromsammler (17) mit flächig verteilten Kontaktstellen angeordnet ist. 25
  17. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsammler (17) in mehrere, separat kontaktierbare Segmente (17a, 17b, 17a', 17b') unterteilt ist.
  18. 17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zum An-30 pressen der Heizelemente (4) an die Außenflächen (3) der Einzelzelle (2) oder des Kurzstacks (10) und/oder der äußeren Isolierelemente (11) und/oder der thermisch isolierenden Zwischenschicht (14) eine Spannvorrichtung (6) vorgesehen ist.
  19. 18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der dichtende Anschluss 35 der Gasanschlüsse und die elektrischen Anschlüsse der Einzelzelle (2) oder des Kurzstacks (10) mit Hilfe des Anpressdruckes der Spannvorrichtung (6) hergestellt sind.
  20. 19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-und Auswerteeinrichtung (5) Mittel zur Bestimmung zumindest der Temperatur, der Strom- 40 und Spannungswerte, der Zusammensetzung der Prozessgase, des Prozessgasdruckes oder der Lebensdauer der Brennstoffzelle aufweist. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen 45 50 55
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AT0083204A AT413616B (de) 2004-05-13 2004-05-13 Vorrichtung und verfahren zur bestimmung von betriebsparametern von einzelzellen oder kurzstacks von brennstoffzellen
GB0706254A GB2438276B (en) 2004-05-13 2005-02-10 Clamping elements acting on both ends of a fuel cell stack
DE112005000291.8T DE112005000291B4 (de) 2004-02-12 2005-02-10 Brennstoffzellenstapel aus Mittel- oder Hochtemperaturbrennstoffzellen
US10/588,790 US7897290B2 (en) 2004-02-12 2005-02-10 Device and method for determining the operating parameters of indiviudal cells or short stacks of fuel cells
PCT/AT2005/000041 WO2005078841A2 (de) 2004-02-12 2005-02-10 Vorrichtung und verfahren zur bestimmung von betriebsparametern von einzelzellen oder kurzstacks von brennstoffzellen
GB0616078A GB2424991B (en) 2004-02-12 2005-02-10 Device & Method For Determining The Operating Parameters Of Individual Cells Or Short Stacks Of Fuel Cells
US12/926,522 US20110070512A1 (en) 2004-02-12 2010-11-23 Device and method for determining the operating parameters of individual fuel cells or short stacks of fuel cells
US12/926,521 US20110070514A1 (en) 2004-02-12 2010-11-23 Device and method for determining the operating parameters of individual fuel cells or short stacks of fuel cells

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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020037445A1 (en) * 2000-09-25 2002-03-28 Martin Keller Method for operating a fuel cell battery
US20030008184A1 (en) * 2001-05-31 2003-01-09 Plug Power Inc. Method and apparatus for controlling a combined heat and power fuel cell system
US20030022037A1 (en) * 2001-07-25 2003-01-30 Ballard Power Systems Inc. Fuel cell system method, apparatus and scheduling
US20030190511A1 (en) * 2002-04-03 2003-10-09 Nissan Motor Co., Ltd. Control of fuel cell power plant

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020037445A1 (en) * 2000-09-25 2002-03-28 Martin Keller Method for operating a fuel cell battery
US20030008184A1 (en) * 2001-05-31 2003-01-09 Plug Power Inc. Method and apparatus for controlling a combined heat and power fuel cell system
US20030022037A1 (en) * 2001-07-25 2003-01-30 Ballard Power Systems Inc. Fuel cell system method, apparatus and scheduling
US20030190511A1 (en) * 2002-04-03 2003-10-09 Nissan Motor Co., Ltd. Control of fuel cell power plant

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