DE102006025258A1 - Vorrichtung zum Einspannen von Brennstoffzellen-Prüflingen und/oder Brennstoffzellenstapel-Prüflingen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspannen von Brennstoffzellen-Prüflingen und/oder Brennstoffzellenstapel-Prüflingen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Einspannen von Brennstoffzellen-Prüflingen und/oder Brennstoffzellenstapel-Prüflingen bereitzustellen, bei der gleich bleibende Prüfbedingungen gewährleistet werden und insbesondere die Hauptkomponenten der zu untersuchenden Zellen reproduzierbar verpresst werden können.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Vorrichtung, die einen Rahmen (2a, 2b, 1a, 1b) umfasst, der mit Aufstellvorrichtungen (9) versehen ist, Mittel zur Aufnahme und Befestigung (5a, 5b, 6a, 6b) für die zu untersuchenden Brennstoffzellen-Prüflinge bzw. Brennstoffzellenstapel-Prüflinge (8) umfasst und eine Vorrichtung zur Kraftbeaufschlagung (3, 4a, 4b) aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspannen von Brennstoffzellen-Prüflingen und/oder Brennstoffzellenstapel-Prüflingen.
• Brennstoffzellen wandeln einen so genannten Brennstoff und ein Oxidationsmittel, örtlich voneinander getrennt an zwei Elektroden, in Strom, Wärme und Wasser um. Als Brennstoff kann beispielsweise Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas, als Oxidationsmittel Sauerstoff oder Luft dienen. Der Vorgang der Energieumwandlung in der Brennstoffzelle zeichnet sich durch einen besonders hohen Wirkungsgrad aus.
• Die elektrochemischen Hauptkomponenten der Brennstoffzelle sind die Membran-Elektroden-Einheit (MEA), die Gasdiffusionsschicht (GDL) und die Bipolarplatte (BPP). Als "Aktive Fläche" wird derjenige Bereich der Membran bezeichnet, der von den jeweiligen Reaktanden (sauerstoff- und wasserstoffhaltiges Gas, die mittels Flussfeldern in den Bipolarplatten zugeführt werden) umströmt wird, wobei geeignete Katalysatoren die Dissoziation von Wasserstoff in Elektronen und Protonen (H⁺) und reaktionsfähige freie Molekülgruppen eine Durchleitung der Protonen durch die Membran ermöglichen.
• Zur Überprüfung von Brennstoffzellen und/oder Brennstoffzellenstapeln werden die zu untersuchenden Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellenstapel in einer Labor-Spanneinrichtung festgehalten und verpresst. Gegenstand der Untersuchungen sind u.a. Spannungs- und Strommessungen, Gasdruckmessungen und Gastemperaturmessungen.
• Für die Untersuchung ist von Bedeutung, dass dabei gleichbleibende mechanische Prüfbedingungen gewährleistet werden, insbesondere eine gleichmäßige Verpressung erreicht und reproduzierbare Verpresskräfte eingestellt werden können.
• Herkömmliche Spanneinrichtungen für die Untersuchung von Brennstoffzellen und -stapeln sind auf mechanisch einfachste Weise aufgebaut. So werden zum Einspannen der Brennstoffzellen-Prüflinge bisher einfache dicke Metallplatten benutzt, die in der x-y-Ebene der "Aktiven Fläche" der Brennstoffzelle hinausragen. Die Einflüsse der äußeren Bauelemente, die neben den elektrochemischen Hauptkomponenten für den Zusammenbau der Prüfzelle notwendig sind, werden bei dieser Spannmethode vernachlässigt.
• Die Metallplatten werden herkömmlicherweise von außen mittels einer Vielzahl von Schrauben zusammengeschraubt und auf diese Weise verpresst. Dabei wird versucht, die Verpresskräfte über die naturgemäß mit hohen Toleranzen versehene Schraubendrehmoment-Messmethode einzustellen. Es hat sich gezeigt, dass hierbei nicht selten ungenaue Einstellungen oder Verkantungen auftreten. Darüber hinaus biegen sich die Metallplatten an den Kanten der Bipolarplatten, so dass der innere Teil der "Aktiven Fläche" nicht gleichmäßig verpresst wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Einspannen von Brennstoffzellen-Prüflingen bzw. Brennstoffzellenstapel-Prüflingen bereitzustellen, bei der für die Untersuchung der Prüflinge gleichbleibende Laborbedingen sichergestellt werden können. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, die mechanischen Verhältnisse an der "Aktiven Fläche" in Bezug auf die Oberflächenebenheit und Gleichverteilung des Kontaktdruckes in sehr engen Toleranzen zu halten. Die Größen Verpressweg und Verpressdruck sollen in den notwendigen Bereichen reproduzierbar eingestellt werden können.
• Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Die Lösung erfolgt erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Einspannen von Brennstoffzellen-Prüflingen und/oder Brennstoffzellenstapel-Prüflingen mit einem Rahmen, versehen mit Aufstellvorrichtungen und Mitteln zur Aufnahme und Befestigung des Brennstoffzellen-Prüflings und/oder Brennstoffzellenstapel-Prüflings und einer Vorrichtung zur Kraftaufbringung auf den Prüfling.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen enthalten.
• Der Brennstoffzellen-Prüfling wird erfindungsgemäß in einen geschlossenen Zug aus stabilen Trägern eingespannt. Zum Einspannen des Prüflings wird eine Apparatur zur Kraftaufbringung – eine Hydraulikvorrichtung in Form eines Hydraulikstempels – benutzt. Über die Hydraulikvorrichtung lassen sich unterschiedliche Verpresskräfte einstellen und kontrollieren, so dass vorgebbare Druckkräfte reproduzierbar eingestellt werden können.
• Die Hauptkomponenten des Brennstoffzellen-Prüflings befinden sich erfindungsgemäß zwischen symmetrisch angeordneten Druck- und Spannplatten, die jeweils ober- und unterhalb der Hauptkomponenten angeordnet sind. Die Hauptkomponenten werden auf diese Weise zusammengefügt. Die Platten können zentral punktuell mit Kraft beaufschlagt werden, womit eine gleichmäßige Verpressung erreicht wird. Die auf die Hauptkomponenten wirkenden Verpresskräfte werden vorzugsweise kontinuierlich über den Drucksensor gemessen.
• In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Rahmen ein erstes und ein zweites Rahmenteil umfasst, diese wiederum mit einem oberen und einem unteren Joch verbindbar sind, wobei mindestens ein Rahmenteil am oberen und unteren Joch entlang verstellbar ist.
• In einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung an jeweils zwei Seiten verstellbare Aufstellvorrichtungen in Form von verstellbaren Füßen aufweist, die ihrerseits an Befestigungselementen befestigt sind. Hierbei wird erreicht, dass die Vorrichtung um 90° gekippt werden kann und darüber hinaus auch unterschiedliche Höhen einstellbar sind.
• In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Vorrichtung zur Kraftaufbringung vorgesehen, die eine Hydraulikvorrichtung umfasst, die wiederum ein Zylinderelement sowie ein oberes und ein unteres Einspannelement aufweist, wobei diese vorzugsweise mit dem oberen und dem unteren Joch verbindbar sind.
• Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Aufnahme und Befestigung vorgesehen sind, die eine obere und untere Druckplatte sowie eine obere und untere Spannplatte umfassen. Die untere Druck- und Spannplatte kann am unteren Joch mit geeigneten Befestigungsmitteln befestigt werden, während die obere Druck- und Spannplatte mit dem Hydraulikelement und dieses wiederum am oberen Joch mit geeigneten Befestigungsmitteln befestigt werden kann.
• Des weiteren ist vorgesehen, dass die Druck- und Spannplatten erfindungsgemäß im Wesentlichen symmetrisch und derart angeordnet sind, dass sie den Brennstoffzellen-Prüfling bzw. der Brennstoffzellenstapel-Prüfling zweiseitig gegenüberliegend aufnehmen können. Der Prüfling befindet sich zwischen den pyramidenartig gestalteten Platten gewissermaßen in einer "Sandwichposition".
• Die Druckplatten können erfindungsgemäß jeweils zentral punktuell mit Kraft beaufschlagt werden.
• In einer nächsten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass über die Vorrichtung zur Kraftaufbringung unterschiedliche Verpresskräfte eingestellt werden können und die Verpresskräfte über einen Drucksensor ablesbar und somit kontrollierbar sind.
• Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens zwei Seiten des Rahmens geeignete Aufstellvorrichtungen vorhanden und diese verstellbar befestigt sind.
• Schließlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Aufstellvorrichtungen so angeordnet sind, dass die Vorrichtung um 90° gekippt werden kann und/oder variierbar relativ zur Richtung der Gravitation einstellbar sind.
• In die erfindungsgemäße Vorrichtung können außer Brennstoffzellen-Prüflinge auch andere Batteriebauteile zur Untersuchung eingespannt werden.
• Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Nachteile der bisherigen Anordnungen beim Einspannen der Prüflinge überwunden und erreicht, dass die Hauptkomponenten mit geringstmöglichen Abweichungen für eine große Anzahl verschiedener Messungen vorgebbar bzw. den jeweiligen Betriebsbedingungen entsprechend eingestellt und fixiert werden können. Die Größen Verpressweg und Verpresskraft können so nach der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den notwendigen Bereichen reproduzierbar eingestellt werden.
• Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ebenso erreicht, dass sich die "Aktive Fläche" über die beiden Aufstellebenen und den unterschiedlichen Fußlängen variabel in gewünschter Weise relativ zur Richtung der Gravitation einstellen lässt.
• Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 ein Seitenschnitt der Vorrichtung zum Einspannen von Brennstoffzellen-Prüflingen bzw. Brennstoffzellenstapel-Prüflingen und
• 2 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung aus 1.
• Die Vorrichtung umfasst einen Rahmen 2a, 2b, 1a, 1b, der mit Aufstellvorrichtungen 9 versehen ist, Mittel zur Aufnahme und Befestigung 5a, 5b, 6a, 6b des Brennstoffzellen-Prüflings 8 bzw. des Brennstoffzellenstapel-Prüflings 8 und eine Vorrichtung zur Kraftaufbringung 3, 4a, 4b auf den Prüfling 8. Die Rahmenteile 2a, 2b sowie ein oberes Joch 1a und ein unteres Joch 1b sind so angeordnet, dass sie einen Zug aus stabilen Trägern bilden können. Mindestens ein Rahmenteil 2a kann am oberen Joch 1a und am unteren Joch 1b verstellt werden.
• An jeweils zwei Seiten der Vorrichtung sind Aufstellvorrichtungen 9 vorhanden, die ihrerseits verstellbar und an geeigneten verstellbar angeordneten Befestigungselementen 9a angeordnet sind.
• Das Kernstück der Vorrichtung besteht aus einer Hydraulikvorrichtung, die in ein Zylinderelement 3 und pyramidenartig aufgebaute Einspannelemente 4a, 4b untergliedert werden kann. Die Hydraulikvorrichtung ermöglicht, vorgebbare Druckkräfte einzustellen und zu kontrollieren.
• Die Einspannelemente 4a, 4b umfassen wiederum eine obere Druckplatte 5a und eine untere Druckplatte 5b sowie eine obere Spannplatte 6a und eine untere Spannplatte 6b. Die Platten 5a, 5b, 6a, 6b können durch geeignete Befestigungsmittel 12, 12a an der Hydraulikvorrichtung 3, 4a und dem unteren Joch 1b befestigt werden.
• Die zu untersuchende Brennstoffzelle 8 bzw. der Brennstoffzellenstapel 8 wird in einer Ausführungsweise zwischen symmetrisch ober- und unterhalb angeordneten Druckplatten 5a, 5b und Spannplatten 6a, 6b, die Teile der pyramidenförmig aufgebauten Einspannelemente sind, eingespannt. Die Platten 5a, 5b, 6a, 6b decken die Hauptkomponenten des zu untersuchenden Prüflings 8 ab. Die Hauptkomponenten des Prüflings werden über die Spann- und Druckplattenanordnung 5a, 5b 6a, 6b zusammengefügt und auf diese Weise gleichmäßig verpresst. Bei den für die Druckverteilung notwendigen Druckplatten 5a, 5b handelt es sich um eine Schichtung besonders geformter Materialien zum Aufbau eines Druckkegels. Durch den Aufbau eines Druckkegels werden die Verpresskräfte zu einem gleichmäßigen Kontaktdruck an den Hauptkomponenten umgewandelt. Über einen Drucksensor 7 können die Verpresskräfte kontinuierlich gemessen und überprüft werden.
• Die Vorrichtung umfasst weiterhin verschiedene Befestigungsmittel 11, mit der die Hydraulikvorrichtung 3 am oberen Joch 1a befestigt werden kann sowie Isoliermittel 13 zwischen der oberen Druckplatte 5a und der oberen Spannplatte 6a und Isoliermittel zwischen der oberen Druckplatte 5a und dem Drucksensor 7.

1a

oberes Joch

1b

unteres Joch

2a

erstes Rahmenteil

2b

zweites Rahmenteil

3

Zylinderelement der Hydraulikvorrichtung

4a

oberes Einspannelement der Hydraulikvorrichtung

4b

unteres Einspannelement der Hydraulikvorrichtung

5a

obere Druckplatte

5b

untere Druckplatte

6a

obere Spannplatte

6b

untere Spannplatte

7

Drucksensor

8

Brennstoffzellen-Prüfling und/oder Brennstoffzellenstapel-Prüfling

9

Aufstellvorrichtung

9a

Befestigungselement für Aufstellvorrichtung

10

Befestigungsmittel für Rahmen und Joch

11

Befestigungsmittel für Hydraulikvorrichtung

12

Befestigungsmittel für Druckplatte und Spannplatte

12a

Befestigungsmittel für Druckplatte und Spannplatte

13

Isoliermittel zwischen der oberen Druckplatte und der Spannplatte

13a

Isoliermittel zwischen oberer Druckplatte und Drucksensor

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Einspannen von Brennstoffzellen-Prüflingen und/oder Brennstoffzellenstapel-Prüflingen, mit einem Rahmen (2a, 2b, 1a, 1b), versehen mit Aufstellvorrichtungen (9) und Mitteln zur Aufnahme und Befestigung (5a, 5b, 6a, 6b) des Brennstoffzellen-Prüflings (8) und/oder Brennstoffzellenstapel-Prüflings (8) und einer Vorrichtung zur Kraftaufbringung (3, 4a, 4b) auf den Prüfling (8).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen ein erstes Rahmenteil (2a) und ein zweites Rahmenteil (2b) umfasst, die mit einem oberen Joch (1a) und unterem Joch (1b) verbindbar sind, wobei das erste Rahmenteil (2a) und das zweite Rahmenteil (2b) verstellbar entlang des oberen Jochs (1a) und unteren Jochs (1b) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Kraftaufbringung eine Hydraulikvorrichtung umfasst, die insbesondere ein Zylinderelement (3), ein oberes Einspannelement (4a) und ein unteres Einspannelement (4b) aufweist, wobei diese vorzugsweise mit dem oberen Joch (1a) und dem unteren Joch (1b) verbindbar sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Aufnahme und Befestigung (5a, 5b, 6a, 6b) eine obere Druckplatte (5a) und eine untere Druckplatte (5b) und eine obere Spannplatte (6a) und eine untere Spannplatte (6b) umfassen, wobei diese durch Befestigungsmittel (12, 12a) an der Hydraulikvorrichtung (3, 4a) und dem unteren Joch (1b) befestigt werden können.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckplatten (5a, 5b) und die Spannplatten (6a, 6b) derart angeordnet sind, dass der Prüfling (8) zweiseitig gegenüberliegend und im Wesentlichen symmetrisch aufnehmbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckplatten (5a, 5b) und die Spannplatten (6a, 6b) jeweils zentral punktuell mit Kraft beaufschlagbar sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass über die Vorrichtung zur Kraftaufbringung (3, 4a, 4b) unterschiedliche Verpresskräfte einstellbar sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verpresskraft über einen Drucksensor (7) ablesbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufstellvorrichtungen (9) an mindestens zwei Seiten des Rahmens (2a, 2b, 1a, 1b) vorhanden sind und insbesondere so angeordnet sind, dass die Vorrichtung um 90° gekippt werden kann.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufstellvorrichtungen (9) verstellbar an dem Rahmen (2a, 2b, 1a 1b) befestigt sind, so dass dieser relativ zur Richtung der Gravitation einstellbar ist.