DE102010038604A1 - Lochdetektor einer Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen Lochdetektor einer Brennstoffzelle bereit, der vorzugsweise eine Plattform, auf welcher eine Brennstoffzellen-Elementeinheit angeordnet ist um detektiert zu werden, einen Antriebsabschnitt, der eingerichtet ist, um die Plattform zu verfahren, um die Brennstoffzellen-Elementeinheit zu drehen, eine Röntgenquelle, die an einer Seite der Plattform angeordnet ist, um Röntgenstrahlen auf die Brennstoffzellen-Elementeinheit aufzubringen die sich dreht, eine Bilddetektorvorrichtung, die die Brennstoffzellen-Elementeinheit penetrierenden Röntgenstrahlen detektiert, und einen Computertomograph umfasst, der ein Tomogramm, das durch die Bilddetektorvorrichtung detektiert wird, auf drei Dimensionen rekonstruiert. Vorzugsweise wird die Brennstoffzellen-Elementeinheit auf der Plattform gedreht, Röntgenstrahlen werden auf die sich drehende Einheit aufgebracht um das Tomogramm davon zu erhalten, und das Tomogramm wird durch eine rechnergestützte Tomographie (CT scanning) rekonstruiert, um ein dreidimensionales Bild zu erlangen, so dass das Loch, das innerhalb der Einheit gebildet ist, in wirksamer Weise detektiert werden kann.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • (a) Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lochdetektor einer Brennstoffzelle. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Lochdetektor einer Brennstoffzelle, der ein Loch detektiert, das innerhalb eines Elements eines Brennstoffzellenstapels gebildet ist.
  • (b) Hintergrund des Standes der Technik
  • Im Allgemeinen erzeugt eine Brennstoffzellenanlage elektrische Energie aus chemischer Energie.
  • Eine Brennstoffzellenanlage umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der elektrische Energie erzeugt, eine Kraftstoffversorgungsanlage, die den Brennstoffzellenstapel mit Kraftstoff (Wasserstoff) versorgt, eine Luftversorgungsanlage, die Sauerstoff aus der Luft liefert, welcher ein Oxidationsmittel ist, das für eine elektrochemische Reaktion des Brennstoffzellenstapels notwendig ist, und ein Wärme- und Wasser-Managementsystem, das die Betriebstemperatur und den Feuchtegehalt des Brennstoffzellenstapels regelt.
  • Vorzugsweise wird der Brennstoffzellenstapel durch Laminieren von drei Schichten einer Membran-Elektrodenanordnung (membrane-electrode assembly – MEA), zwei Gasdiffusionsschichten (gas diffusion layers – GDL) oder einer Bipolarplatte hergestellt.
  • Da jedoch die MEA und die GDL miteinander verbunden werden um die Leistung zu verbessern, kann ein Loch auf einer Elektrolytmembran der MEA durch eine Kohlefaser der GDL gebildet werden. Ferner kann ein Loch während eines Pressvorgangs zum Herstellen der Bipolarplatte gebildet werden.
  • Das Loch der MEA und der Bipolarplatte erzeugt ein brennendes Phänomen durch die chemische Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff und eine Verschmutzung der MEA durch Auslaufen von Frostschutzmittel, so dass die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels und die Haltbarkeit verringert werden und der Brennstoffzellenstapel abgeschaltet werden kann.
  • Demzufolge besteht eine Notwendigkeit im Stand der Technik, den Brennstoffzellenstapel nach einem Loch zu kontrollieren, um die Qualität des Brennstoffzellenstapels zu verbessern. Ferner bleibt eine Notwendigkeit im Stand der Technik bestehen, ein Loch zu kontrollieren, welches innerhalb des Stapelelements gebildet ist.
  • Die obige in diesem Hintergrundabschnitt offenbarte Information dient lediglich der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und kann daher Informationen enthalten, welche nicht zum bereits bekannten Stand der Technik gehören, welcher einem Fachmann in diesem Land bekannt ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt einen Lochdetektor für eine Brennstoffzelle bereit, der vorzugsweise ein Loch in wirksamer Weise detektiert, das innerhalb eines Elements eines Brennstoffzellenstapels gebildet ist.
  • Ein Lochdetektor einer Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Plattform, auf welcher eine Brennstoffzellen-Elementeinheit in geeigneter Weise angeordnet ist um detektiert zu werden, einen Antriebsabschnitt, der in geeigneter Weise eingerichtet ist, um die Plattform zu verfahren, um die Brennstoffzellen-Elementeinheit zu drehen, eine Röntgenquelle, die in geeigneter Weise an einer Seite der Plattform angeordnet ist, um Röntgenstrahlen auf die Brennstoffzellen-Elementeinheit aufzubringen, die rotiert, eine Bilddetektorvorrichtung, die in geeigneter Weise die die Brennstoffzellen-Elementeinheit penetrierenden Röntgenstrahlen detektiert, und einen Computertomograph umfassen, der in geeigneter Weise ein Tomogramm, das durch die Bilddetektorvorrichtung detektiert wird, auf drei Dimensionen rekonstruiert.
  • Der Lochdetektor kann vorzugsweise ferner eine Kondensorlinse aufweisen, die in geeigneter Weise zwischen der Brennstoffzellen-Elementeinheit und der Röntgenquelle angeordnet ist, durch welche Röntgenstrahlen penetrieren.
  • In bevorzugten Ausführungsformen kann der Lochdetektor ferner einen Filter aufweisen, der in geeigneter Weise zwischen der Brennstoffzellen-Elementeinheit und der Röntgenquelle angeordnet ist, durch welche Röntgenstrahlen penetrieren.
  • In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann der Lochdetektor ferner eine Zonenplatte aufweisen, die in geeigneter Weise zwischen der Brennstoffzellen-Elementeinheit und der Röntgenquelle angeordnet ist, durch welche Röntgenstrahlen penetrieren.
  • Ein minimaler Fokus der Röntgenquelle kann von 0.1 bis 10 μm reichen, die Leistung davon kann vorzugsweise von 2 bis 160 kV reichen, ein Zielobjekt kann Rh, Cr, Cu oder W umfassen und eine Auflösung des Bilderfassungsbereichs kann weniger als 1 μm betragen, und eine Vergrößerung davon kann vorzugsweise von 2000 bis 15000 reichen.
  • Gemäß bestimmten bevorzugten Ausführungsformen kann eine Vakuumrate innerhalb eines Austrittrohrs der Röntgenquelle unter 10–7 Torr liegen.
  • Gemäß weiteren bestimmten bevorzugten Ausführungsformen kann ein Beryllium-Fenster in einem Fall verwendet werden, dass eine Ausgangsleistung der Röntgenquelle unter 60 kV liegt.
  • Wie hierin beschrieben, wird in einem Lochdetektor einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung die Brennstoffzellen-Elementeinheit in geeigneter Weise auf der Plattform gedreht, Röntgenstrahlen werden auf die drehende Einheit aufgebracht, um das Tomogramm davon zu erhalten, und das Tomogramm wird in geeigneter Weise rekonstruiert, um ein dreidimensionales Bild durch eine rechnergestützte Tomographie (CT scanning) zu erlangen, so dass das innerhalb der Einheit gebildete Loch in wirksamer Weise detektiert werden kann.
  • Es ist selbstverständlich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, plug-in Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird).
  • Wie hierin Bezug genommen ist, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, zum Beispiel sowohl eine Benzin angetriebene als auch eine elektrisch angetriebene.
  • Die obigen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich oder ausführlich dargelegt in den beigefügten Zeichnungen, welche hierin enthalten sind und einen Teil der Beschreibung bilden, und der folgenden ausführlichen Beschreibung, welche zusammen dazu dienen, durch Beispiele die Grundsätze der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die obigen und anderen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen davon ausführlicher beschreiben, welche in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, die lediglich veranschaulichenden Zwecken dienen, und somit nicht einschränkend für die vorliegende Erfindung sind, und wobei:
  • 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Lochdetektors einer Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Lochdetektors einer Brennstoffzelle gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 3 zeigt ein Ergebnis einer Lochdetektion gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Die in den Zeichnungen dargestellten Bezugszeichen nehmen Bezug auf die folgenden Elemente wie sie nachfolgend ferner beschrieben sind:
  • Bezugszeichenliste
    • 100, 200
    Röntgenquelle
    110, 240
    Brennstoffzellen-Elementeinheit
    120, 270
    Bilddetektorvorrichtung
    130, 250
    Plattform
    140, 260
    Antriebsabschnitt
    150, 280
    Computertomograph
    210
    Filter
    220
    Kondensorlinse
    230
    Zonenplatte
  • Es ist selbstverständlich, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgerecht sind, und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen darstellen, welche die Grundsätze der Erfindung veranschaulichen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung wie sie hierin offenbart sind, einschließlich zum Beispiel spezifischer Abmessungen, Orientierungen, Einbauorten, und Formen werden zum Teil durch die eigens dafür vorgesehene Anmeldung und der Arbeitsumgebung bestimmt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Wie hierin beschrieben weist die vorliegende Erfindung einen Lochdetektor einer Brennstoffzelle, aufweisend eine Plattform, auf welcher eine Brennstoffzellen-Elementeinheit angeordnet ist, einen Antriebsabschnitt, der eingerichtet ist um die Plattform zu verfahren, eine Röntgenquelle, die Röntgenstrahlen auf die Brennstoffzellen-Elementeinheit aufbringt, eine Bilddetektorvorrichtung, die die Brennstoffzellen-Elementeinheit penetrierenden Röntgenstrahlen detektiert, und einen Computertomograph auf.
  • In einer Ausführungsform ist der Antriebsabschnitt eingerichtet, um die Plattform zu verfahren, um die Brennstoffzellen-Elementeinheit zu drehen.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die Röntgenquelle an einer Seite der Plattform angeordnet, um Röntgenstrahlen auf die Brennstoffzellen-Elementeinheit aufzubringen.
  • In einer weiteren Ausführungsform rekonstruiert der Computertomograph ein Tomogramm, das durch die Bilddetektorvorrichtung detektiert wird, zu einem dreidimensionalen Bild.
  • Bestimmte beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich erläutert.
  • 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Lochdetektors einer Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Bezug nehmend auf 1 umfasst ein Lochdetektor einer Brennstoffzelle vorzugsweise eine Röntgenquelle 100, eine Brennstoffzellen-Elementeinheit 110, eine Plattform 130, einen Antriebsabschnitt 140, eine Bilddetektorvorrichtung 120 und einen Computertomograph 150, der ein Tomogramm, das in geeigneter Weise durch die Bilddetektorvorrichtung 120 detektiert wird, zu einem dreidimensionalen Bild rekonstruiert.
  • Die Röntgenquelle 100 weist eine von 2 bis 160 kV reichende Leistung auf, und verwendet vorzugsweise Rhodium (Rh), Chrom (Cr), Kupfer (Cu) oder Wolfram (W) als Zielobjekt.
  • Gemäß bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen umfasst die Brennstoffzellen-Elementeinheit 110 drei Schichten einer Membran-Elektrodenanordnung (MEA), fünf Schichten einer Membran-Elektrodenanordnung, in welche zwei Schichten einer Gasdiffusionsschicht (GDL) bei einer hohen Temperatur eingepresst sind, eine Trennplatte oder eine Bipolarplatte.
  • Die Brennstoffzellen-Elementeinheit 110 ist vorzugsweise auf der Plattform 130 angeordnet, und die Plattform 130 dreht die Brennstoffzellen-Elementeinheit 110 durch den Antriebsabschnitt 140 wie zum Beispiel einen Motor.
  • In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen bringt die Röntgenquelle 100 Röntgenstrahlen auf die drehende Brennstoffzellen-Elementeinheit 110 auf, und die Bilddetektorvorrichtung 120 detektiert die die Brennstoffzellen-Elementeinheit 110 penetrierenden Röntgenstrahlen. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen wird ein Tomogramm, das durch die Bilddetektorvorrichtung 120 detektiert wird, in geeigneter Weise in ein dreidimensionales Bild durch den Computertomograph 150 rekonstruiert, um in wirksamer Weise ein Loch des Elements des Brennstoffzellenstapels anzuzeigen.
  • Das Verfahren durch welches die Bilddetektorvorrichtung und der Computertomograph das detektierte Tomogramm zu einem dreidimensionalen Bild detektiert und rekonstruiert ist dem Fachmann bekannt, und somit wird auf eine ausführliche Beschreibung davon verzichtet.
  • In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die MEA und die GDL in geeigneter Weise verbunden, um einen Aufbau aus fünf Schichten zu bilden, worin ein Loch auf einer Elektrolytmembran der MEA durch eine Kohlefaser der GDL gebildet werden kann. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann, während die Bipolarplatte in geeigneter Weise gepresst wird um hergestellt zu werden, das Loch darin gebildet werden.
  • Vorzugsweise die Bilddetektorvorrichtung 120 detektiert in wirksamer Weise das Loch, das innerhalb der Brennstoffzellen-Elementeinheit 110 gebildet wird, um die Leistung zu verbessern.
  • In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung reicht der minimale Fokus der Röntgenquelle 100 vorzugsweise von 0.1 bis 10 μm, die Leistung davon reicht vorzugsweise von 2 bis 160 kV, Rh, Cr, Cu oder W wird vorzugsweise als Zielobjekt verwendet, die Auflösung der Bilddetektorvorrichtung 120 ist kleiner als 1 μm, und die Vergrößerung davon reicht vorzugsweise von 2000 bis 15000.
  • In weiteren Ausführungsformen ist es wünschenswert, dass die Vakuumrate des Lichtstrahlungsrohrs der Röntgenquelle 100 geringer als 10–7 Torr ist und dass ein Beryllium-Fenster, welches eine geringe Absorptionsrate aufweist, vorzugsweise verwendet wird, wo die Ausgangsleistung der Röntgenquelle 100 unter 60 kV liegt.
  • Vorzugsweise werden als ein Loch-Messobjekt eine hochmolekulare Elektrolytmembran, ein Katalysator und Kohlepapier in geeigneter Weise bereitgestellt, und ein Laser wird verwendet, um absichtlich ein Loch von 10 bis 15 μm in der Elektrolytmembran, zu bilden – das heißt in der Dreischicht-Membran-Elektrodenanordnung (MAE).
  • Ferner wird die GDL auf beiden Seiten der Dreischicht-MEA heiß gepresst, in welcher das Loch gebildet wird, so dass eine Fünfschicht-MEA hergestellt wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird der Lochdetektor einer Brennstoffzelle verwendet, um ein Loch von ungefähr 13 μm zu detektieren. 3 zeigt zum Beispiel ein Ergebnis einer Lochdetektion gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Die Leistung der Röntgenquelle beträgt vorzugsweise 5.4 kV und Cr wird als Zielobjekt verwendet. Ferner können, abhängig von einer experimentellen Bedingung oder einer Auslegungsbestimmung, die Leistung der Röntgenquelle 100 und die Art eines Zielobjekts optional variiert werden.
  • 2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Lochdetektors einer Brennstoffzelle gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • In weiteren beispielhaften Ausführungsformen und Bezug nehmend auf 2, umfasst ein Lochdetektor einer Brennstoffzelle vorzugsweise eine Röntgenquelle 200, einen Filter 210, eine Kondensorlinse 220, eine Zonenplatte 230, eine Brennstoffzellen-Elementeinheit 240, eine Plattform 250, einen Antriebsabschnitt 260, eine Bilddetektorvorrichtung 270, einen Computertomograph 280 (CT: rechnergestützte Tomographie).
  • Der Filter 210 filtert vorzugsweise eine vorbestimmte Wellenlänge von Licht, das von der Röntgenquelle 200 zugeführt wird, und die Kondensorlinse 220 oder die Zonenplatte 230 fokussiert das Licht, das in einem vorbestimmten Bereich erzeugt wird.
  • Die Brennstoffzellen-Elementeinheit 240 ist wie hierin beschrieben in geeigneter Weise auf der Plattform 250 angeordnet, und die Plattform 250 dreht die Brennstoffzellen-Elementeinheit 240 durch den Antriebsabschnitt 260.
  • Vorzugsweise werden Röntgenstrahlen, die in geeigneter Weise von der Röntgenquelle 200 erzeugt werden, auf die drehende Brennstoffzellen-Elementeinheit 240 durch den Filter 210, die Kondensorlinse 220 oder die Zonenplatte 230 aufgebracht, und die Bilddetektorvorrichtung 270 detektiert die die Brennstoffzellen-Elementeinheit 240 penetrierenden Röntgenstrahlen.
  • In weiteren Ausführungsformen detektiert die Bilddetektorvorrichtung 270 in geeigneter Weise die innere Form der drehenden Brennstoffzellen-Elementeinheit 240, und der Computertomograph 280 rekonstruiert ein Tomogramm, das durch die Bilddetektorvorrichtung 270 detektiert wird, zu einem dreidimensionalen Bild.
  • Obwohl die Erfindung in Verbindung mit den praktischen beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es zu berücksichtigen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegenteil dazu vorgesehen ist, verschiedenste Änderungen und äquivalente Anordnungen abzudecken, die innerhalb des Geistes und dem Umfang der beigefügten Ansprüche umfasst sind.

Claims (11)

  1. Lochdetektor einer Brennstoffzelle, aufweisend: eine Plattform, auf welcher eine Brennstoffzellen-Elementeinheit angeordnet ist um detektiert zu werden; einen Antriebsabschnitt, der eingerichtet ist, um die Plattform zu verfahren, um die Brennstoffzellen-Elementeinheit zu drehen; eine Röntgenquelle, die an einer Seite der Plattform angeordnet ist, um Röntgenstrahlen auf die Brennstoffzellen-Elementeinheit aufzubringen, die sich dreht; eine Bilddetektorvorrichtung, die die Brennstoffzellen-Elementeinheit penetrierenden Röntgenstrahlen detektiert; einen Computertomograph, der ein Tomogramm, das durch die Bilddetektorvorrichtung detektiert wird, auf drei Dimensionen konstruiert.
  2. Lochdetektor nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Kondensorlinse, die zwischen der Brennstoffzellen-Elementeinheit und der Röntgenquelle angeordnet ist, durch welche Röntgenstrahlen penetrieren.
  3. Lochdetektor nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen Filter, der zwischen der Brennstoffzellen-Elementeinheit und der Röntgenquelle angeordnet ist, durch welche Röntgenstrahlen penetrieren.
  4. Lochdetektor nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Zonenplatte, die zwischen der Brennstoffzellen-Elementeinheit und der Röntgenquelle angeordnet ist, durch welche Röntgenstrahlen penetrieren.
  5. Lochdetektor nach Anspruch 1, wobei ein minimaler Fokus der Röntgenquelle von 0.1 bis 10 μm reicht, eine Leistung davon von 2 bis 160 kV reicht, ein Zielobjekt davon Rh, Cr, Cu oder W umfasst, und eine Auflösung des Bilderfassungsbereichs niedriger als 1 μm ist, und eine Vergrößerung davon von 2000 bis 15000 reicht.
  6. Lochdetektor nach Anspruch 1, wobei eine Vakuumrate innerhalb eines Austrittrohrs der Röntgenquelle unter 10–7 Torr liegt.
  7. Lochdetektor nach Anspruch 1, wobei ein Beryllium-Fenster verwendet wird, in einem Fall, dass eine Ausgangsleistung der Röntgenquelle unter 60 kV liegt.
  8. Lochdetektor einer Brennstoffzelle, aufweisend: eine Plattform, auf welcher eine Brennstoffzellen-Elementeinheit angeordnet ist; einen Antriebsabschnitt, der eingerichtet ist, um die Plattform zu verfahren; eine Röntgenquelle, die Röntgenstrahlen auf die Brennstoffzellen-Elementeinheit aufbringt; eine Bilddetektorvorrichtung, die die Brennstoffzellen-Elementeinheit penetrierenden Röntgenstrahlen detektiert; und einen Computertomograph.
  9. Lochdetektor einer Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei der Antriebsabschnitt eingerichtet ist, um die Plattform zu verfahren, um die Brennstoffzellen-Elementeinheit zu drehen.
  10. Lochdetektor einer Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei die Röntgenquelle an einer Seite der Plattform angeordnet ist, um Röntgenstrahlen auf die Brennstoffzellen-Elementeinheit aufzubringen.
  11. Lochdetektor einer Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei der Computertomograph ein Tomogramm, das durch die Bilddetektorvorrichtung detektiert wird, zu einem dreidimensionalen Bild rekonstruiert.
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