DE102006051320B4 - Fuel cell assembly, a test rig containing them and method for their preparation - Google Patents
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Abstract
Brennstoffzellenanordnung (1), enthaltend eine Membraneinheit (2) mit einer an einer Seite Membraneinheit angeordneten Anode (3) und einer an der anderen Seite der Membraneinheit angeordneten Kathode (4), wobei die Kathode und/oder die Anode jeweils eine Kanalstruktur (5, 6) zur flächigen Medienverteilung sowie Segmente (7) zum isolierten Messen elektrischer Eigenschaften in diesen Segmenten aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (4) und/oder die Anode (3) zu der Membraneinheit hin über ihren Kanalstrukturen zumindest bereichsweise eine mediendurchlässige Zwischenlage (8) aufweisen, wobei diese Zwischenlage Kanäle (9) der jeweiligen Kanalstruktur (6) zumindest bereichsweise überdeckt und die Zwischenlage (8) zu den Segmenten (7) korrespondierende Zwischenlagensegmente (10) aufweist, welche im Wesentlichen voneinander elektrisch isoliert sind.A fuel cell assembly (1) containing a membrane unit (2) having a membrane unit on one side arranged anode (3) and one on the other side of the membrane unit arranged cathode (4), wherein the cathode and / or the anode, respectively a channel structure (5, 6) for planar Media distribution and segments (7) for the isolated measurement of electrical Have properties in these segments, characterized that the cathode (4) and / or the anode (3) to the membrane unit over their channel structures at least partially a media-permeable intermediate layer (8), said intermediate layer channels (9) of the respective channel structure (6) at least partially covered and the intermediate layer (8) to the segments (7) corresponding spacer segments (10), which substantially electrically isolated from each other are.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie einen diese enthaltenden Versuchsstand.The The present invention relates to a fuel cell assembly Process for their preparation and a test rig containing them.
Die gleichmäßige Verteilung der elektrischen Stromdichte bzw. des Stoffumsatzes in einer elektrochemischen Zelle ist wichtig für einen hohen Wirkungsgrad, einen zuverlässigen Betrieb und eine hohe Lebensdauer der Brennstoffzellenanordnung. Die Kenntnis dieser Verteilung ermöglicht viele Einsichten in den Betrieb einer elektrochemischen Zelle. Dies ist in erster Linie die optimale Konstruktion des Strömungsfelds, die dazu führen muss, dass Betriebsstoffe und Kühlmittel optimal verteilt werden, der Befeuchtungszustand einer Membran entsprechend gut eingestellt ist und gleichmäßig geringe Kontaktwiderstände auftreten. Bei Brennstoffzellen mit Zwei-Phasen-Transport, bei spielsweise Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFC), bei denen im Anodenraum neben Methanol das entstehende CO2 ausgetragen werden muss, spielt neben der Betriebsführung ebenfalls die Konstruktion des Strömungsfelds eine entscheidende Rolle.The uniform distribution of the electrical current density or the metabolic rate in an electrochemical cell is important for high efficiency, reliable operation and a long lifetime of the fuel cell assembly. The knowledge of this distribution allows many insights into the operation of an electrochemical cell. This is primarily the optimal design of the flow field, which must lead to the fact that supplies and coolant are optimally distributed, the humidifying state of a membrane is set accordingly well and evenly low contact resistance occur. In fuel cells with two-phase transport, for example, direct methanol fuel cells (DMFC), where in addition to methanol, the resulting CO 2 must be discharged in the anode compartment, in addition to the management also the construction of the flow field plays a crucial role.
Es ist also sehr wünschenswert, während der Entwicklungsphase von Brennstoffzellen ein geeignetes Instrument zur Analyse der Stromdichteverteilung zu besitzen. So wird eine Optimierung der Konstruktion und des Betriebs der elektrochemischen Zelle möglich. Hierdurch können auch Qualitätsschwankungen von Membranmaterialien und Katalysatorbelägen analysiert werden.It is therefore very desirable while the development phase of fuel cells is a suitable instrument to analyze the current density distribution. So will one Optimization of the design and operation of the electrochemical cell possible. This allows also quality fluctuations be analyzed by membrane materials and catalyst coatings.
Vorraussetzung ist aber, dass die Methode der ortsaufgelösten Stromdichtemessung eine ausreichend hohe Auflösung besitzt und ein nur sehr geringer konstruktiver Unterschied aller den Stofftransport beeinflussenden Merkmale zwischen der Messeinrichtung und der Brennstoffzellenanordnung des späteren Produkts besteht. Das Messverfahren selbst sollte daher keine Rückwirkung auf die Brennstoffzellenanordnung/elektrochemische Zelle haben.requirement but is that the method of spatially resolved current density measurement a sufficiently high resolution owns and only a very small constructive difference of all the mass transport influencing characteristics between the measuring device and the fuel cell assembly of the later product. The Measurement method itself should therefore have no effect on the fuel cell assembly / electrochemical Cell have.
In
der
Die einzelnen Segmente der Elektrode und die Verbindung der Segmente mit den integrierten Schaltungen werden mit Mehrlagen-Leiterplatten realisiert. Auf der Oberseite der Leiterplatte entsteht somit ein matrixförmiges Feld der einzelnen Segmente in Form vom Metallisierungspads. Auch wenn mit der bekannten Brennstoffzellenanordnung eine segmentweise Untersuchung elektrischer Eigenschaften angestrebt ist, so ist doch der Medienfluss eingeschränkt, da er nur rings um die Segmente erfolgen kann, und diese nur eine geringe Höhe (kleiner als 1 mm) und einen durch den sehr begrenzten Abstand zwischen den Segmenten sehr geringen Kanalquerschnitt besitzt. Insbesondere durch die bestehende Leitfähigkeit der Gasdiffusionslage (GDL) lateral in der Flächenebene kommt es zu Ausgleichsströmen zwischen den Segmenten (u. U. Kurzschlusseffekte).The individual segments of the electrode and the connection of the segments with the integrated circuits are realized with multilayer printed circuit boards. On the top of the circuit board thus creates a matrix-shaped field the individual segments in the form of metallization pads. Even if with the known fuel cell assembly, a segmental investigation electrical properties is desired, but so the media flow is limited because it can only be done around the segments, and these only a little Height (less than 1 mm) and one due to the very limited distance between the segments has very small channel cross-section. In particular, through the existing conductivity the gas diffusion layer (GDL) laterally in the plane of the plane there is a balance between the segments (possibly short-circuit effects).
Die
Die
Aus
der
Weiterhin
beschreibt die
Schließlich offenbart
die
Ausgehend
von der
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst.These Task is governed by the objects of independent claims solved.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung enthält eine Membraneinheit mit einer und einer Seite der Membraneinheit angeordneten Anode und einer auf der anderen Seite der Membraneinheit angeordneten Kathode, wobei die Kathode und/oder die Anode jeweils eine Kanalstruktur zur flächigen Medienverteilung sowie Segmente zum isolierten Messen elektrischer Eigenschaften in diesem Segmenten aufweisen. Hierbei weisen erfindungsgemäß zumindest eine der Elektroden (Kathode und/oder Anode) zu der Membraneinheit hin auf bzw. über ihren Strukturen zumindest bereichsweise eine mediendurchlässige Zwischenlage auf. Diese Zwischenlage überdeckt zumindest bereichsweise Kanäle der jeweiligen Kanalstruktur. Die Zwischenlage weist außerdem zu den elektrisch voneinander isolierten Segmenten korrespondierende Zwischenlagesegmente auf, welche ebenfalls im wesentlichen voneinander elektrisch isoliert sind.A Fuel cell arrangement according to the invention contains a membrane unit having one and one side of the membrane unit arranged anode and one arranged on the other side of the membrane unit Cathode, wherein the cathode and / or the anode each have a channel structure for the area-wide distribution of media and segments for isolated measurement of electrical properties in have these segments. At least according to the invention one of the electrodes (cathode and / or anode) to the membrane unit towards or over their structures at least partially a media-permeable liner on. This intermediate layer covers at least partially channels the respective channel structure. The liner also shows the electrically isolated from each other segments corresponding Interlayer segments, which also essentially from each other are electrically isolated.
Hierdurch wird also sichergestellt, dass zum einen "reale" Kanalstrukturen mit relativ großen Kanalquerschnittsflächen bereitgestellt werden können, welche dem Fließverhalten von Medien in "realen" Kanalstrukturen einer Anode bzw. einer Kathode entsprechen. Trotz dieser Kanalstrukturen ist die elektrische Anbindung der jeweiligen Elektrode an die Membraneinheit möglichst großflächig. Dies kommt daher, dass die entsprechende Zwischenlage die Kanalstrukturen überdeckt und somit großflächig elektrisch leitende (und vorzugsweise entsprechend steife) Abschnitte der Zwischenlage die Membraneinheit kontaktieren. Dadurch, dass die Zwischenlage außerdem mediendurchlässig ausgeführt ist, kann durch entsprechende Schlitze und/oder z. B. durch eine entsprechend poröse Struktur der ungehinderte Durchgang von Medien durch die Zwischenlage zu der Membraneinheit hin gesichert werden. Hierdurch wird einerseits die gewünschte großflächige Anbindung an die Membraneinheit gesichert, andererseits wird die Größe der Kanalstrukturen nicht durch Messsegmente negativ beeinflusst und schließlich ist durch die entsprechende Isolierung der einzelnen Segmente voneinander eine aussagekräftige Stromdichtemessung möglich.hereby Thus, it is ensured that, on the one hand, "real" channel structures with relatively large channel cross-sectional areas are provided which can be the flow behavior of media in "real" channel structures an anode or a cathode correspond. Despite these channel structures is the electrical connection of the respective electrode to the membrane unit preferably a large area. This comes from the fact that the corresponding intermediate layer covers the channel structures and thus over a large area electrically conductive (and preferably correspondingly stiff) sections of the intermediate layer contact the membrane unit. Because of the liner Furthermore permeable media accomplished is, by appropriate slots and / or z. B. by a correspondingly porous Structure of unimpeded passage of media through the liner secured to the membrane unit. This will on the one hand the desired large area connection secured to the membrane unit, on the other hand, the size of the channel structures not negatively affected by measurement segments and finally is through the appropriate isolation of the individual segments from each other a meaningful Current density measurement possible.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung ist beispielsweise als Testanordnung geeignet. Hierbei kann an der weniger kritischen Elektrode der Messaufbau mit der segmentierten Elektrode untergebracht sein. Beispielsweise kann bei einer methanolbetriebenen Brennstoffzelle, bei welcher anodenseitig Methanol zugeführt ist und kathodenseitig Luft, der Messaufbau kathodenseitig angebracht sein, da die Verteilung der Luft in den Kanalstrukturen eher unkritischer ist und daher weniger Optimierung verlangt als bei der methanolversorgten Anodenseite. Nun können bei einem solchen Aufbau verschiedene Kanalstrukturen für die Anode "durchprobiert" werden und die jeweiligen elektrischen Eigenschaften in den einzelnen Segmenten können dann mit dem Messaufbau auf der Kathodenseite entsprechend erfasst werden. Hierdurch kommt es zu aussagekräftigen Ergebnissen, welche sowohl die Gesamteffizienz der Brennstoffzelle als auch die Güte der Verteilung in der kritischen Anoden-Kanalstruktur feststellen. Durch gezielte Optimierung in Segmenten mit unbefriedigenden Messergebnissen können dann die Anodenstrukturen optimiert werden.The Fuel cell arrangement according to the invention is suitable for example as a test arrangement. This can be done at the less critical electrode of the test setup with the segmented Electrode be housed. For example, in a methanol-powered Fuel cell in which methanol is supplied on the anode side and cathode-side air, the measuring structure be mounted on the cathode side, because the distribution of air in the channel structures rather uncritical and therefore requires less optimization than the methanol supplied Anode side. Well, you can In such a construction, different channel structures for the anode are "tried" and the respective ones electrical properties in the individual segments can then be detected accordingly with the measurement setup on the cathode side. This leads to meaningful Results showing both the overall efficiency of the fuel cell as well as the goodness of Determine distribution in the critical anode channel structure. By Targeted optimization in segments with unsatisfactory measurement results can then the anode structures are optimized.
Je nach Prinzip der Brennstoffzellenanordnung können allerdings auch anodenseitig Messaufbauten gegeben sein. So wird beispielsweise bei einer mit gasförmigem Wasserstoff betriebenen Brennstoffzelle es unter Umständen sinnvoll sein, den entsprechenden Messaufbau an der Anode unterzubringen und unterschiedliche Kathodenkanalstrukturen zu vergleichen. Hierbei geht es immer darum, dass die Messseite der späteren realen (bzw. in Serie hergestellten) Brennstoffzellenanordnung möglichst ähnlich sein soll, da nur so entsprechend verwertbare Ergebnisse herauskommen.ever However, according to the principle of fuel cell arrangement can also anode side Be given measuring setups. For example, with a gaseous Hydrogen fuel cell may make sense be to accommodate the appropriate measurement setup at the anode and to compare different cathode channel structures. in this connection It is always important that the measurement side of the later real (or in series manufactured) fuel cell assembly should be as similar as possible, because only so correspondingly usable results come out.
Selbstverständlich ist es allerdings auch möglich, auf beiden Elektrodenseiten (also bei Anode und bei Kathode) entsprechende Segmentierungen vorzunehmen.Of course it is, too it is possible to perform appropriate segmentation on both electrode sides (ie anode and cathode).
Schließlich ist die Anwendung der vorliegenden Brennstoffzellenanordnung nicht begrenzt auf Testbetrieb bzw. Entwicklungsbetrieb. Es kann auch durchaus sinnvoll sein, eine entsprechende Segmentierung bei einer in Serie hergestellten Brennstoffzellenanordnung bereit zu stellen. Hierdurch können beispielsweise Fehlfunktionen bzw. Verstopfungen mittelbar gut detektiert werden. Außerdem kann eine entsprechende Regelung der Medienzufuhr je nach Messergebnissen in einzelnen Segmenten gezielt erfolgen, um beispielsweise ein "Absaufen" der Brennstoffzellenanordnung zu verhindern. Gerade bei großindustrieller Anwendung kann die Anzahl der Segmente entsprechend klein gehalten werden, beispielsweise könnte es dort ausreichend sein, bei einer einkanaligen Ausführung der Kanalstruktur (beispielsweise in Form eines Mäanders) lediglich am Anfang und am Ende der Kanalstruktur jeweils ein Segment anzubringen, welche dann miteinander messtechnisch verglichen werden.Finally is does not limit the application of the present fuel cell assembly on test operation or development operation. It also can make sense, a corresponding segmentation in a series prepared fuel cell assembly to provide. hereby for example Malfunctions or blockages are indirectly detected well. Furthermore can be a corresponding regulation of the media supply depending on the measurement results targeted in individual segments, for example, a "siphoning" of the fuel cell assembly to prevent. Especially with big industrialists Application, the number of segments can be kept correspondingly small could be, for example it be sufficient there, in a single-channel execution of the Channel structure (for example in the form of a meander) only at the beginning and to attach at the end of the channel structure in each case a segment, which then be compared with each other metrologically.
Prinzipiell sind verschiedene elektrische Eigenschaften der einzelnen Segmente messbar. Es kann beispielsweise bei einem vorgeschriebenen Strom der entsprechende Spannungsabfall gemessen werden. Selbstverständlich sind auch vorgegebene Spannungsdifferenzen oder auch ortsaufgelöste Messung der Zellimpedeanz möglich. Wichtig ist lediglich, dass jeweils Rückschlüsse auf die elektrische Leistung in den einzelnen Segmenten (sowohl relativ als auch absolut) möglich sind. Hierbei erfolgt die Messung mit relativ hoher Güte, da die Segmente im Wesentlichen voneinander elektrisch isoliert sind und daher keine Kurz schlusseffekte in Flächenebene gegeben sind, welche die Messergebnisse negativ beeinflussen könnten.in principle are different electrical properties of the individual segments measurable. It can, for example, at a prescribed current the corresponding voltage drop can be measured. Of course they are also specified voltage differences or spatially resolved measurement the cell impedance is possible. It is only important that in each case conclusions about the electrical power in the individual segments (both relative and absolute) are possible. In this case, the measurement takes place with a relatively high quality, since the segments essentially are electrically isolated from each other and therefore no short-circuit effects given in area plane which could adversely affect the measurement results.
Zusammengefasst kann also gesagt werden, dass für ortsaufgelöste Messungen der Stromdichteverteilung in Brennstoffzellen, bei denen eine oder beide Elektroden in gegeneinander isolierte Segmente aufgeteilt werden und jedes Segment mit einer eigenen für den Betrieb der elektrochemischen Reaktion vorgesehenen Stromquelle oder Stromsenke verbunden wird, das Hauptproblem darin besteht, trotz der Vielzahl der einzeln herauszuführenden Stromableiter eine Kanalstruktur auszubilden, die mit dem späteren Produkt möglichst identisch ist und eine geringe elektrische Querleitung zwischen den einzelnen Segmenten besitzt.Summarized can therefore be said that for spatially resolved Measurements of the current density distribution in fuel cells in which one or both electrodes divided into segments isolated from each other and each segment with its own for the operation of the electrochemical Reaction provided power source or sink is connected the main problem is, despite the multitude of individually executable ones Current conductor to form a channel structure with the later product preferably is identical and a low electrical cross between owns the individual segments.
Das Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einer aus isolierendem Material bestehenden Kanalstruktur (Strömungsfeld) vorzugsweise matrixförmig verteilte leitfähige senkrechte Pfade verteilt werden. An der oberen, der Membraneinheit zugewandten Seite wird am oberen Ende der leitfähigen Pfade eine Zwischenlage, vorzugsweise eine leitfähige Mikrokanalstruktur, leitfähig verbunden, die nahezu die gesamte Membranfläche segmentartig bedeckt. Auf dieser Mikrokanalstruktur kann eine ebenfalls segmentierte strukturierte Gasdiffusionslage oder auch Katalysatorschicht aufgebracht sein. Die Zwischenlage bzw. Mikrokanalstruktur ist mechanisch ausreichend stabil um einen gleichmäßigen Anpressdruck auf die Membraneinheit (Brennstoffzellenmembran) auf zubringen.The Problem is inventively achieved in that in a channel structure consisting of insulating material (flow field) preferably matrix-shaped distributed conductive vertical paths are distributed. At the top, the membrane unit facing Side becomes an intermediate layer at the top of the conductive paths, preferably a conductive Microchannel structure, conductive connected, covering almost the entire membrane surface segmental. On This microchannel structure may also have a structured segmented structure Gas diffusion layer or catalyst layer may be applied. The Interlayer or microchannel structure is mechanically sufficient stable around a uniform contact pressure on the membrane unit (fuel cell membrane) on.
Schließlich sind weitere unabhängige Gegenstände gegeben. Dies betrifft beispielsweise einen Versuchs stand, enthaltend eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung, wobei dieser Versuchsstand einen Messaufbau zum Einlegen der Brennstoffzellenanordnung sowie eine mit Segmenten der eingelegten Brennstoffzellenanordnung verbindbare Auswerteeinheit auweißt.Finally are another independent objects given. This relates, for example, to a test stand containing a fuel cell arrangement according to the invention, wherein this test stand is a measuring structure for inserting the fuel cell assembly and one with segments of the inserted fuel cell assembly connectable evaluation unit.
Ferner wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer Ausführung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung gezeigt. Hierbei wird zur Herstellung einer ersten Elektrode (Anode oder Kathode) eine Metallplatte mit einer regelmäßigen Anordnung einer Vielzahl von Stiften im Fußbereich der Metallstifte mit einer Isolierplatte versehen. Dies erfolgt beispielsweise durch Eingießen einer Polymerschicht aus einem isolierenden Kunststoff. Die Metallplatte wird anschließend auf der der Isolierplatte abweisenden Seite strukturiert und Verbindungen von einzelnen Metallstiften zu einer entsprechenden Leiterplattenanordnung hergestellt. Die Stifte, welche dann nach oben hin zur elektrischen Kontaktierung herausragen, werden dann mit einer segmentierten Zwischenlage versehen, welche auf diese Stifte aufgebracht wird. Nachfolgend wird eine Membraneinheit auf der den Stiften abweisenden Seite der Zwischenanlage angebracht und auf der anderen Seite der Membraneinheit wiederum eine ergänzende Elektrode (Anode bzw. Kathode) angebracht.Further is also a method for producing an embodiment of a Inventive fuel cell assembly shown. This is to produce a first electrode (anode or cathode) a metal plate having a regular arrangement of a plurality of pins in the foot area the metal pins provided with an insulating plate. this happens for example by pouring a polymer layer of an insulating plastic. The metal plate will follow structured on the insulating plate repellent side and connections of individual metal pins to a corresponding circuit board assembly produced. The pins, which then go up to the electrical Stand out contact, then be with a segmented liner provided, which is applied to these pins. following is a membrane unit on the pins repellent side of the Attached intermediate system and on the other side of the membrane unit again a supplementary electrode (Anode or cathode) attached.
Dies ist allerdings nur ein beispielhaft beschriebenes Herstellungsverfahren, insbesondere für sehr kleinformatige Brennstoffzellenanordnungen sind auch mikrostrukturierbare Brennstoffzellenanordnungen herstellbar, wobei hier Verfahren aus der Halbleitertechnik zur Anwendung kommen können (hierauf wird später noch einmal detailliert eingegangen).This is, however, only an exemplary production method, especially for very Small scale fuel cell assemblies are also microstructured Produce fuel cell assemblies, in which process from Semiconductor technology can be used (this will be later once detailed).
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfin dung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.advantageous Further developments of the present inven tion are given in the dependent claims.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Zwischenlage als durchgehende Zwischenlage ausgeführt ist, welche zwischen einzelnen Zwischenlagesegmenten elektrisch isolierende Bereiche aufweist. Man kann dafür elektrisch isolierende, poröse Substrate mit ausreichender Mediendurchlässigkeit verwenden (Faserwerkstoffe, Gewebe, poröse Gläser oder Keramiken, die im Bereich der Segmente abschnittsweise elektrisch leitfähig gemacht wurden oder die insgesamt leitfähig sind), aber nur in z-Richtung, senkrecht zur Membran, so dass es zu keinen Querströmen zwischen den Segmenten kommen kann.An advantageous development provides that the intermediate layer is designed as a continuous intermediate layer, which between individual intermediate layer segments electrically insulating areas having. It is possible to use electrically insulating, porous substrates with sufficient media permeability (fiber materials, woven fabrics, porous glasses or ceramics which have been made electrically conductive in sections or which are conductive overall), but only in the z-direction, perpendicular to the membrane. so that there can be no cross-currents between the segments.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Zwischenlage aus körperlich voneinander getrennten Zwischenlagesegmenten aufgebaut. In diesem Fall sind Spalten zwischen den Zwischenlagesegmenten vorgesehen. Diese dienen nur der elektrischen Isolation und sollten allerdings möglichst klein sein, um eine möglichst große Kontaktfläche zur Membraneinheit bereit stellen zu können.In an alternative embodiment is the liner of physical constructed from separate intermediate layers segments. In this Case columns are provided between the interleaving segments. These are for electrical isolation only and should be preferably be as small as possible size contact area to provide the membrane unit ready.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Zwischenlagensegmente zur Membraneinheit hin, aber nicht zwangsweise an diese angrenzend eine Mikrokanalstruktur aufweisen. Dies ist gut zur Aufrechterhaltung des Anpressdruckes an die Membraneinheit und daher zur Wirkungsgradverbesserung. Die Feinstverteilung zur Membraneinheit hin wird von der Mikrokanalstruktur gewährleistet. Die Kanalbreite von Mikrokanälen der Mikrokanalstruktur beträgt hierbei vorzugsweise jeweils 20 bis 500 Mikrometer, besonders vorzugsweise 20 bis 100 Mikrometer.Especially It is advantageous that the spacer segments to the membrane unit towards, but not necessarily adjacent to, a microchannel structure exhibit. This is good for maintaining the contact pressure to the membrane unit and therefore to improve the efficiency. The The finest distribution towards the membrane unit is provided by the microchannel structure guaranteed. The channel width of microchannels the microchannel structure is in this case preferably 20 to 500 micrometers, particularly preferably 20 to 100 microns.
Diese Mikrokanalstruktur kann je nach Medium bzw. Membraneinheit bzw. Größe der Kanäle direkt an die Membraneinheit sich anschließen oder auch noch eine zusätzliche etwa gleich große und entsprechend den Segmenten segmentierte Gasdiffusionslage aufweisen.These Microchannel structure may vary depending on the medium or membrane unit or Size of the channels directly connect to the membrane unit or even an additional about the same size and have segmented gas diffusion layer according to the segments.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Segmente der Anode und/oder Kathode Stifte zur elektrischen Verbindung mit einer zugeordneten Leiterplattenanordnung aufweisen. Diese Leiterplattenanordnung dient der Verbindung mit Operationsverstärkern bzw. integrierten Schaltkreisen und erlaubt somit eine Raum sparende Verbindung der Segmente an entsprechende weitergehende Messtechnik.A Another advantageous embodiment provides that the segments the anode and / or cathode pins for electrical connection with having an associated circuit board assembly. This circuit board arrangement is used to connect to operational amplifiers or integrated circuits and thus allows a space-saving connection of the segments corresponding further measuring technology.
Grundsätzlich soll jedes der Segmente einen eigenen Stromkreis aufweisen, mit dem Strom-, Spannungs- bzw. Widerstandsmessung geregelt durchgeführt werden können.Basically each of the segments has its own circuit, with the current, voltage or resistance measurement can be performed regulated.
Die entsprechenden Stifte der Anode bzw. der Kathode sind vorzugsweise in einer entsprechenden Isolierplatte angeordnet, welche an die Leiterplattenanordnung leicht anbindbar ist. Die elektrische Verbindung der leitfähigen Stifte der Segmente mit den korrespondierenden Kontakten der Leiterplatte erfolgt etwa durch elektrisch leitfähige Klebstoffe oder anisotrop leitfähige Klebstoffe, durch Kontaktmatten (nur in z-Richtung, d. h. senkrecht zur Membraneinheitsebene, leitfähig) oder auch durch Löten.The corresponding pins of the anode and the cathode are preferably arranged in a corresponding insulating plate, which to the PCB assembly is easily attachable. The electrical connection the conductive one Pins of the segments with the corresponding contacts of the circuit board takes place about by electrically conductive Adhesives or anisotropically conductive Adhesives, by contact mats (only in the z-direction, i.e. perpendicular to the membrane unit plane, conductive) or by soldering.
Die Stifte sind vorzugsweise eingebettet in entsprechende Kanalstrukturen. Diese Kanalstrukturen bestehen beispielsweise aus einem gegossenen Epoxidharz, die entsprechenden Kanalstrukturen können als neben einander dargestellte parallele Kanäle oder auch als Mäanderstruktur dargestellt sein. Als Alternative hierzu können die Stifte auch isoliert dargestellt sein (Pin-Finn-Array).The Pins are preferably embedded in corresponding channel structures. These channel structures consist for example of a cast epoxy resin, the corresponding channel structures may be shown as side by side parallel channels or as a meander structure be shown. Alternatively, the pins may be isolated his (pin-Finn-Array).
Die
Kanalbreite der Kanäle
in den Kanalstrukturen beträgt
vorzugsweise 0,5 bis 5 mm, hier ist für gasförmige oder auch flüssige Medien
stets genügend
Raum gegeben. Für
die meisten Anwendungen hat sich gezeigt, dass ein Aspektverhältnis von
1:1, das heißt,
dass die Kanaltiefe ungefähr
der Kanalhöhe
entspricht, ausreichend ist. Einzig bei einer Variante mit freistehenden
Stiften (s. beispielsweise
Die Segmente zur Messung der elektrischen Eigenschaften, welche in der Anode bzw. der Kathode gegeben sind, haben jeweils zu der Membraneinheit angrenzend Flächen zwischen 0,2 und 10 mm2, vorzugsweise zwischen 0,5 und 1,5 mm2. Insgesamt sind verschiedenste Brennstoffzellenanwendungen möglich, vorzugsweise wird eine DMFC bzw. eine PEMFC gegeben sein. Der elektrochemisch aktive Bereich einer Einzelzelle dieser Brennstoffzellenanordnung soll hierbei eine Fläche zwischen 4 und 400 cm2 aufweisen.The segments for measuring the electrical properties, which are given in the anode or the cathode, respectively adjacent surfaces of the membrane unit between 0.2 and 10 mm 2 , preferably between 0.5 and 1.5 mm 2 . Overall, a wide variety of fuel cell applications are possible, preferably a DMFC or a PEMFC will be given. The electrochemically active region of a single cell of this fuel cell arrangement should in this case have an area between 4 and 400 cm 2 .
Es soll, auch wenn PEM und DMFC mögliche Anwendungsbereiche sind, keinerlei Einschränkung auf diese Konzepte gegeben sein. Die Erfindung ist geeignete für jede Form von Brennstoffzellen mit planaren Membranen und planaren Zellen-Plattenanordnungen (im Unter schied zu Brennstoffzellen mit röhrenförmigem Aufbau). Neben Brennstoffzellen mit Polymermembran kann die Erfindung genauso für Mikrobrennstoffzellen, z. B. aus Silizium, oder auch für Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFC, MCFC) oder alkalische Brennstoffzellen mit Flüssigelektrolyt genutzt werden. Der Aufbau muss dann nur entsprechend mit kompatiblen, temperaturstabilen Materialien erfolgen.It should, even if PEM and DMFC possible Areas of application are, no limitation on these concepts be. The invention is suitable for any form of fuel cell planar membranes and planar cell-plate assemblies (in different to fuel cells with a tubular structure). In addition to fuel cells with polymer membrane, the invention can also be used for micro fuel cells, z. As silicon, or for High temperature fuel cells (SOFC, MCFC) or alkaline fuel cells with liquid electrolyte be used. The structure then only needs to be compatible with compatible, temperature-stable materials.
Besonders vorteilhaft ist, wenn in einer entsprechenden Testanordnung die Anode und oder die Kathode austauschbar gestaltet sind. Vorzugsweise jeweils die Elektrode, an welcher gerade nicht die Messsegmente angegeben sind. Hierdurch können verschiedene Elektroden mit ihren entsprechenden Kanalstrukturen getestet werden.It is particularly advantageous if the anode and / or the cathode are designed to be interchangeable in a corresponding test arrangement. Preferably in each case the electrode to which the measuring segments are not indicated at the moment. This allows different electrodes are tested with their respective channel structures.
Besonders vorteilhaft ist allerdings auch, wenn die Brennstoffzellenanordnung eine Mess- und/oder Regeleinrichtung aufweist. Hiermit ist es auch möglich eine Online-Selbstregelung für reguläre Brennstoffzellenanordnungen herzustellen, mit welcher die Brennstoffzellenanordnung jeweils in einem optimalen Bereich betrieben werden kann und vor allem Fehlfunktionen auch auf diese Weise mittelbar detektierbar sind.Especially However, it is also advantageous if the fuel cell arrangement having a measuring and / or regulating device. That's it too possible an online self-regulation for regular Produce fuel cell assemblies, with which the fuel cell assembly each can be operated in an optimal range and before All malfunctions can be indirectly detected in this way are.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass bei besonders breiten Kanälen und/oder breiten Stegen in den Kanalstrukturen diese Kanäle und/oder Stegbereiche durch mehrere zusammengefasste Segmente charakterisiert werden. So kann ein Kanal beispielsweise durch maximal 2 nebeneinanderliegende Segmente charakterisiert sein. Auf diese Weise erhält man eine ortsaufgelöste Messung im Querschnitt eines einzelnen Stegs/Kanals.A Particularly advantageous development provides that in particular wide channels and / or wide webs in the channel structures through these channels and / or web areas several summarized segments are characterized. So can a channel, for example, by a maximum of 2 adjacent segments be characterized. In this way one obtains a spatially resolved measurement in the cross section of a single web / channel.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sieht vor, dass in eine Isolierplatte (bzw. in ein Substrat) federnde Kontaktstifte eingepasst werden, auf die vorgefertigte Zwischenlagesegmente aufgesteckt werden. Dabei können die Segmente teilweise beweglich auf den Kontaktstiften angebracht werden, wobei sie Herstellungstoleranzen von alleine ausgleichen. Die Federkraft wird entsprechend der Anzahl der Segmente so bemessen, dass der gewünschte Anpressdruck eingestellt werden kann (50 ... 200 N/cm2). Es können auch Federkontaktstifte verwendet werden, die zugleich nach oben und unten Federkontakte besitzen und somit gleichzeitig die Leiterplatte unten ankontaktieren.A particularly advantageous development of the production method according to the invention provides that resilient contact pins are fitted into an insulating plate (or into a substrate), onto which prefabricated intermediate layer segments are plugged. In this case, the segments can be mounted partially movable on the contact pins, whereby they compensate for manufacturing tolerances alone. The spring force is calculated according to the number of segments so that the desired contact pressure can be set (50 ... 200 N / cm 2 ). It can also spring contact pins are used, which have at the same time up and down spring contacts and thus simultaneously contact the circuit board below.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen werden in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.Further advantageous developments are given in the remaining dependent claims.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:in the The invention will be explained with reference to several figures. It demonstrate:
Hierzu
ist die Anode
Diese
Kathode
Die
Zwischenlagesegmente
Die
in
Die
erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung
ist in verschiedenen Größen darstellbar.
Der elektrochemisch aktive Bereich weist hierbei vorzugsweise eine
Fläche
zwischen 4 und 400 cm2 auf. Die Kanalbreite
der Kanäle
Auch
wenn die vorliegende
Im
Folgenden wird beispielhaft eine Herstellungsmethode für die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung
Bei
der soeben geschilderten Methode könnten die Stifte
Der
Herstellungsprozess ist nochmals in den
In
Die
in
Die
Mikrokanalstruktur
Anschließend wird
die Mikrokanalstruktur
Auf diese Weise wird ein sehr geringer Abstand zwischen den einzelnen Segmenten gewährleistet. Um Korrosion zu verhindern, wird die gesamte Metallstruktur mit einem Edelmetall (vorzugsweise Gold) oder anderweitig (etwa mit leitfähigen Polymeren) beschichtet. Das dazu verwendete Material muss in der Brennstoffzelle korrosionsstabil sein und sollte einen geringen Kontaktwiderstand besitzen.On This way, there will be a very small distance between each one Segments guaranteed. To prevent corrosion, the entire metal structure with a precious metal (preferably gold) or otherwise (such as with conductive Polymers) coated. The material used must be in the Fuel cell should be corrosion resistant and should have a low contact resistance have.
Die
abschnittsweise Gasdiffusionslage, welche in
Neben der hier gezeigten beispielhaften Anordnung sind auch Beispiele für kleinere Abmessungen erfindungsgemäß gegeben.Next The exemplary arrangement shown here are also examples for smaller ones Given dimensions according to the invention.
Zur
Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung mit kleineren Abmessungen
wird beispielsweise auf einem Substrat (Silizium-Wafer, Glas, Metall, Keramik)
eine Trenn- bzw. Opferschicht aufgebracht (durch Schleudern bzw.
Sprühen).
Auf dieser Schicht wird eine ganzflächige Metallschicht aufgebracht (durch
Sputtern bzw. Galvanik). Anschließend wird eine Substratfolie
(diese würde
in
Zum
Schluss wird die Isolierplatte/Substratfolie vom Trägersubstrat
entfernt, indem die Opferschicht aufgelöst wird und die durchgängige Metallschicht
(Plating base) durch Ätzen
entfernt wird. Auf diese Weise kann das Rastermaß der Segmente
Hauptanwendungsbeispiele für Messungen mit erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnungen betreffen DMFC bzw. PEM.Main Applications for measurements with Fuel cell assemblies according to the invention affect DMFC or PEM.
Eine erfindungsgemäße Kanalstruktur wird vorzugsweise als Kathode eingesetzt. So entsteht ein einfacher Gesamtaufbau, da die segmentierte Anordnung nicht abgedichtet werden muss.A Channel structure according to the invention is preferably used as a cathode. This creates a simpler Overall construction, as the segmented arrangement is not sealed got to.
Bei DMFC wird die segmentierte Kanalstruktur als Kathodenseite genutzt um definiert Sauerstoff bzw. Luft zuzuführen. Auf der Anodenseite können nun schnell verschiedene Kanalgeometrien erprobt werden, die bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen eine homogene Stromdichte erzielen. Es können außerdem Rückschlüsse auf den Zweiphasentransport (Transport von Kohlendioxidblasen) ermittelt werden.at DMFC uses the segmented channel structure as the cathode side to supply defined oxygen or air. On the anode side can now quickly different channel geometries are tested, the at different Operating conditions achieve a homogeneous current density. It can also draw conclusions the two-phase transport (transport of carbon dioxide bubbles) are determined.
Bei der PEM wird die segmentierte Kanalstruktur vorzugsweise für den Wasserstofftransport genutzt. Auf der Kathodenseite werden unterschiedliche Kanalgeometrien erprobt, um eine Optimierung für den Sauerstoff- bzw. Wassertransport zu finden.at PEM, the segmented channel structure is preferably used for hydrogen transport. On the cathode side different channel geometries are tested, an optimization for to find the oxygen or water transport.
Sollen Brennstoffzellen untersucht werden, während Sauerstoffzufuhr durch natürliche Konvektion der Umgebungsluft erfolgt, so kann eine offene Struktur an der Kathode verwendet werden.Should Fuel cells are examined while oxygen is passing through natural Convection of the ambient air takes place, so can an open structure be used at the cathode.
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