DE102016221485B3 - Apparatus and method for characterizing a component of a fuel cell - Google Patents

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie umfasst eine Vorrichtung 100 und ein Verfahren zur Charakterisierung einer Komponente 200 einer Brennstoffzelle mit einer Vielzahl an benachbart zueinander angeordneten Sensoren 110. Die Sensoren 110 sind eingerichtet, während einer Messung die Komponente 200 zu kontaktieren. In zumindest einigen Sensoren 110 der Vielzahl an Sensoren 110 ist eine Brennstoffzufuhr 112 vorgesehen, wobei der Brennstoff durch die Brennstoffzufuhr 112 zur Komponente 200 gelangt.The technology disclosed herein includes an apparatus 100 and a method of characterizing a component 200 of a fuel cell having a plurality of sensors 110 disposed adjacent to each other. The sensors 110 are configured to contact the component 200 during a measurement. In at least some sensors 110 of the plurality of sensors 110, a fuel supply 112 is provided, wherein the fuel passes through the fuel supply 112 to the component 200.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Vorrichtung zur Charakterisierung einer Komponente einer Brennstoffzelle. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie ein Verfahren zur Charakterisierung einer Komponente einer Brennstoffzelle.The technology disclosed herein relates to a device for characterizing a component of a fuel cell. Further, the technology disclosed herein relates to a method of characterizing a component of a fuel cell.

Zur Charakterisierung von einer Komponente, wie beispielsweise einer Membran-Elektroden-Einheit (engl. Membrane Elektrode Assembly oder MEA; nachstehend wird vereinfachend der Begriff „MEA” verwendet), einer katalysatorbeschichteten Membran (engl. catalyst coated membranes oder CCM) und/oder einer Gasdiffusionsschicht (engl. gas diffusion layers oder GDL) werden Evaluierungs-Tools eingesetzt. Solche Tools sind ausgelegt, ausschließlich die Komponente zu untersuchen. Ein Einfluss der Flussfeldplatten bzw. Bipolarplatten soll dabei unterbunden werden. Die MEA wird dabei i. d. R. mit sehr hohen Gas- und Kühlmittelflüssen betrieben, um einen nahezu verlustfreien Betrieb zu gewährleisten. Die Druckschriften US 2004/0095127 A1 , US 2004/0224204 A1 , US 2011/0027629 A1 gehören ferner zum Stand der Technik. Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, eine Komponente einer Brennstoffzelle kostengünstig, schnell und/oder zuverlässig zu charakterisieren, wobei zweckmäßig Brennstoffemissionen vermieden werden können. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.For the characterization of a component such as a membrane electrode assembly or MEA (hereinafter, for convenience, the term "MEA" is used), a catalyst coated membrane (or CCM) and / or a Gas diffusion layers (GDL) are used for evaluation tools. Such tools are designed to examine only the component. An influence of the flow field plates or bipolar plates should be prevented. As a rule, the MEA is operated with very high gas and coolant flows to ensure almost lossless operation. The pamphlets US 2004/0095127 A1 . US 2004/0224204 A1 . US 2011/0027629 A1 are also state of the art. It is a preferred object of the technology disclosed herein to reduce or eliminate at least one disadvantage of a previously known solution or to suggest an alternative solution. In particular, it is an object of the technology disclosed here to characterize a component of a fuel cell inexpensively, quickly and / or reliably, wherein fuel emissions can be expediently avoided. Other preferred objects may result from the beneficial effects of the technology disclosed herein. The object (s) is / are solved by the subject matter of the independent claims. The dependent claims are preferred embodiments.

Die hier offenbarte Technologie umfasst eine Vorrichtung zur Charakterisierung einer Komponente einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems.The technology disclosed herein includes an apparatus for characterizing a component of a fuel cell of a fuel cell system.

Das Brennstoffzellensystem kann beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht sein, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert.The fuel cell system may be intended, for example, for mobile applications such as motor vehicles, in particular for providing the energy for at least one drive machine for locomotion of the motor vehicle. In its simplest form, a fuel cell is an electrochemical energy converter that converts fuel and oxidant into reaction products, producing electricity and heat.

Eine Brennstoffzelle, in der die hier zu charakterisierende Komponente eingesetzt wird, umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind.A fuel cell employing the component to be characterized herein includes an anode and a cathode separated by an ion-selective or ion-permeable separator.

Die hier offenbarte Vorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, eine Komponente zu charakterisieren, die mindestens einen ionenselektiven Separator umfasst. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®. Die hier offenbarte Vorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein,

  • – einen ionenselektiven Separator;
  • – eine Membran-Elektroden-Einheit;
  • – eine mit einem Katalysator beschichtete Membran; und/oder
  • – eine Gasdiffusionsschicht
zu charakterisieren.The device disclosed herein may be particularly configured to characterize a component comprising at least one ion selective separator. The ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM). Preferably, a cation-selective polymer electrolyte membrane is used. Materials for such a membrane are, for example: Nafion ®, Flemion ® and Aciplex ®. The device disclosed here can be set up in particular
  • An ion-selective separator;
  • A membrane electrode assembly;
  • A membrane coated with a catalyst; and or
  • A gas diffusion layer
to characterize.

Charakterisieren bedeutet in diesem Zusammenhang, dass mittels der Vorrichtung die Beschaffenheit der Komponente bewertet werden kann. Beispielsweise kann überprüft werden, ob die tatsächliche Beschaffenheit der Komponente einer vorgegebenen Beschaffenheit entspricht. Die Beschaffenheit der Komponente kann beispielsweise durch eine oder mehrere der folgenden Größen beschrieben werden: Strom, Spannung, elektrischer Widerstände, ionische Widerstände (Membranwiderstand, Ionomer-Widerstände), Ladungsdurchtrittswiderstände, Stofftransportwiderstände, Diffusionswiderstände, Massenaktivitäten (MA), elektrochemisch aktive Oberfläche (ECSA), elektrochemische Doppelschichtkapazität, Diffusionskapazität, Grenzstromdichte, Diffusionsrate, Wasserstoffdurchtrittsstromdichte und/oder Anpresskraft.Characterization in this context means that the device can be used to evaluate the nature of the component. For example, it can be checked whether the actual nature of the component corresponds to a given condition. The nature of the component may be described, for example, by one or more of the following: current, voltage, electrical resistances, ionic resistances (membrane resistance, ionomer resistances), charge transmission resistances, mass transfer resistances, diffusion resistances, mass activities (MA), electrochemically active surface (ECSA) , electrochemical double-layer capacitance, diffusion capacity, limiting current density, diffusion rate, hydrogen permeation current density and / or contact pressure.

Besonders bevorzugt kann die Vorrichtung eingerichtet sein, durch die Sensoren mindestens einer der folgenden Größen oder für diese Größen repräsentative Werte zu erfassen:

  • – durch die elektrochemische Reaktion von Brenngas und Oxidationsmittel erzeugter Strom;
  • – durch ein äußeres Potential erzeugter Strom;
  • – die Temperatur an jedem Sensor bzw. die Temperaturverteilung über die aktive Fläche der Komponente; und/oder
  • – die Impedanz;
Particularly preferably, the device can be set up to detect values representative of the values of at least one of the following variables or values representative of these variables:
  • - Electricity generated by the electrochemical reaction of fuel gas and oxidant;
  • - Electricity generated by an external potential;
  • The temperature at each sensor or the temperature distribution over the active area of the component; and or
  • - the impedance;

Ein für eine solche Größe repräsentativer Werte ist beispielsweise eine elektrische Größe, die der Sensor aufgenommen hat, und die direkt mit der Temperatur, Impedanz, etc. korreliert.For example, a value representative of such magnitude is an electrical quantity that the sensor has picked up, and that correlates directly with temperature, impedance, etc.

Bevorzugt sind mindestens 50 Sensoren, ferner bevorzugt mindestens 100 Sensoren oder mindestens 200 Sensoren oder mindestens 300 Sensoren vorgesehen. Letztendlich hängt die Anzahl an Sensoren von der Größe der aktiven Fläche der Komponente ab. Bevorzugt ist jeder Sensor ausgebildet eine Fläche von maximal 10 cm2, bevorzugt von maximal 1 cm2 oder maximal 0,1 cm2 zu erfassen. Die Brennstoffaustrittsöffnung können mit der Anzahl an Sensoren bzw. der Größe der aktiven Flächen dergestalt variieren, dass eine Verringerung der Anzahl an Sensoren bzw. eine Vergrößerung der Größe der aktiven Flächen einher geht mit einer Vergrößerung der Brennstoffaustrittsöffnung.Preferably, at least 50 sensors, further preferably at least 100 sensors or at least 200 sensors or at least 300 sensors are provided. Ultimately, the number of sensors depends on the size of the active area of the component. Preferably, each sensor is formed to detect an area of not more than 10 cm 2 , preferably of not more than 1 cm 2 or not more than 0.1 cm 2 . The fuel outlet opening can vary with the number of sensors or the size of the active surfaces such that a reduction in the number of sensors or an increase in the size of the active surfaces is accompanied by an enlargement of the fuel outlet opening.

Die einzelnen Sensoren der Vielzahl an Sensoren sind hier bevorzugt unmittelbar benachbart zueinander angeordnet. Das bedeutet, dass zwischen den einzelnen Sensoren ein geringer Abstand oder gar kein Abstand vorgesehen ist. Bevorzugt beträgt der Abstand zwischen zwei benachbarten Sensoren jeweils weniger als 5 mm oder weniger als 3 mm oder weniger als 1 mm.The individual sensors of the plurality of sensors are preferably arranged directly adjacent to one another here. This means that a small distance or no distance is provided between the individual sensors. The distance between two adjacent sensors is preferably less than 5 mm or less than 3 mm or less than 1 mm.

Bevorzugt weisen die einzelnen Sensoren eine im Wesentlichen rechteckförmige bzw. quadratische Grundform auf, mit der sie direkt oder indirekt die Komponente kontaktieren können. „Im Wesentlichen” bedeutet in diesem Zusammenhang, dass unbedeutende Abweichungen, wie beispielsweise etwaige Abweichung oder Rundungen bzw. Phasen an aufeinandertreffenden Kanten, unbeachtlich sind.Preferably, the individual sensors have a substantially rectangular or square basic shape, with which they can directly or indirectly contact the component. "Substantially" in this context means that insignificant deviations, such as for example any deviation or curves or phases on clashing edges, are irrelevant.

Die Vielzahl an Sensoren kann insbesondere eingerichtet sein, die Komponente über ihre gesamte aktive Fläche im Wesentlichen gleichmäßig mit Brennstoff zu versorgen. Der Begriff „im Wesentlichen” umfasst in diesem Zusammenhang, dass es lediglich zu vernachlässigbar geringen Abweichungen in der Brennstoffversorgung der aktiven Fläche kommt. Mithin sind die Abweichungen vernachlässigbar, wenn sie sich auf die Messungen bzw. die Charakterisierung nicht oder nur vernachlässigbar auswirken.The plurality of sensors may in particular be designed to supply the component substantially uniformly with fuel over its entire active area. The term "essentially" in this context includes that only negligible deviations in the fuel supply of the active surface occur. Consequently, the deviations are negligible if they have no or only negligible effects on the measurements or the characterization.

Die Sensoren können eingerichtet sein, während der Messung von mindestens einer Größe, die zur Charakterisierung der Komponente herangezogen wird, die Komponente direkt oder indirekt zu kontaktieren. Beispielsweise kann hierzu die Komponente durch ein entsprechendes Haltemittel positioniert werden und die Vielzahl an Sensoren kann gegen die Komponente gepresst werden. Bevorzugt sind keine Zwischenschichten vorgesehen. Es ist auch denkbar, dass zwischen dem Sensor und der Komponente eine Zwischenschicht vorgesehen ist, sofern dies die Messung nicht behindern würde.The sensors may be arranged to contact the component directly or indirectly during the measurement of at least one size which is used to characterize the component. For example, for this purpose, the component can be positioned by a corresponding holding means and the plurality of sensors can be pressed against the component. Preferably, no intermediate layers are provided. It is also conceivable that an intermediate layer is provided between the sensor and the component, as long as this would not hinder the measurement.

Gemäß der hier offenbarten Technologie können zumindest einige der Sensoren eine Brennstoffzufuhr umfassen. Die Brennstoffzufuhr kann derart angeordnet und ausgebildet sein, dass durch die Brennstoffzufuhr Brennstoff zur Komponente gelangen kann. Beispielsweise kann hierzu in den Sensoren mindestens eine Brennstoffaustrittsöffnung (z. B. mindestens ein Loch) vorgesehen sein. Die Brennstoffaustrittsöffnung befindet sich in der Sensoroberfläche des jeweiligen Sensors, die die Komponente direkt oder indirekt kontaktiert, bevorzugt beabstandet vom Rand der Sensoroberfäche. Die Brennstoffaustrittsöffnung bzw. Brennstoffzufuhr kann bevorzugt mit einem Brennstoffvorrat fluidverbunden sein, beispielsweise einem Druckbehälter.According to the technology disclosed herein, at least some of the sensors may include a fuel supply. The fuel supply can be arranged and configured such that fuel can reach the component through the fuel supply. For example, at least one fuel outlet opening (eg at least one hole) may be provided in the sensors for this purpose. The fuel outlet opening is located in the sensor surface of the respective sensor, which contacts the component directly or indirectly, preferably spaced from the edge of the sensor surface. The fuel outlet opening or fuel supply may preferably be fluidly connected to a fuel supply, for example a pressure vessel.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind zumindest einige der Sensoren als Hall-Sensoren ausgebildet. Hall-Sensoren als solche sind bekannt. Ein Hall-Sensor, auch Hall-Sonde oder Hall-Geber, nutzt den Hall-Effekt zur Messung von Magnetfeldern.In a preferred embodiment, at least some of the sensors are designed as Hall sensors. Hall sensors as such are known. A Hall sensor, also Hall probe or Hall sensor, uses the Hall effect to measure magnetic fields.

Die hier offenbarte Vorrichtung kann ferner mindestens eine Haltevorrichtung für die mindestens eine Komponente umfassen. Die Haltevorrichtung kann beispielsweise als Verspannsystem, insbesondere ein pneumatisches Verspannsystem, ausgebildet sein. Hierzu kann die Vorrichtung beispielsweise Endplatten umfassen. Die Verspanneinheit kann eingerichtet sein, die zwischen den Endplatten angeordneten Schichten bzw. Komponenten zu verspannen.The device disclosed herein may further comprise at least one holding device for the at least one component. The holding device can be designed, for example, as a bracing system, in particular a pneumatic bracing system. For this purpose, the device may comprise, for example, end plates. The clamping unit may be configured to clamp the layers or components arranged between the end plates.

Die Endplatten können im geschlossenen Zustand der Vorrichtung in einem unveränderlichen Abstand zueinander angeordnet sein. Zudem kann eine der Endplatten eine pneumatische Verspanneinheit umfassen.The end plates can be arranged in the closed state of the device at a fixed distance from each other. In addition, one of the end plates may comprise a pneumatic clamping unit.

Die hier offenbarte Vorrichtung kann eine Medienversorgung umfassen, die eingerichtet ist, die aktiven Flächen der Komponente mit Brennstoff, Stickstoff und/oder Oxidationsmittel zu versorgen. Bevorzugt kann die Vorrichtung eingerichtet sein, dass sich während der Messung zur Charakterisierung der Komponente an einer aktiven Fläche der Komponente eine Anode eines Anodensubsystems ausbildet, und an einer anderen aktiven Fläche der Komponente eine Kathode eines Anodensubsystems ausbildet. Die Anode wird u. a. mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird u. a. mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Beispielsweise ist die hier offenbarte Brennstoffzufuhr eine Komponente einer Medienversorgung.The apparatus disclosed herein may include a media supply configured to supply the active surfaces of the component with fuel, nitrogen and / or oxidant. The device may preferably be set up such that an anode of an anode subsystem is formed on an active surface of the component during the measurement, and a cathode of an anode subsystem is formed on another active surface of the component. The anode is u. a. fueled. Preferred fuels are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas. The cathode is u. a. supplied with oxidizing agent. Preferred oxidizing agents are, for example, air, oxygen and peroxides. For example, the fuel supply disclosed herein is a component of a media supply.

Die hier offenbarte Vorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, zusammen mit der Komponente einen Anodenraum und einen Kathodenraum einer elektrochemischen Zelle auszubilden. Die hier offenbarte Vorrichtung kann ferner mindestens eine Dichtung umfassen, die im geschlossenen Zustand der Vorrichtung, insbesondere nachdem das pneumatische Verspannsystem die zwischen den Endplatten angeordneten Bauteile und Komponenten verspannt hat, den Anodenraum und/oder den Kathodenraum gegenüber der Umgebung abzudichten. Die Vielzahl an Sensoren sind im Anodenraum angeordnet und/oder bilden den Anodenraum mit aus.The device disclosed here may in particular be designed to form, together with the component, an anode space and a cathode space of an electrochemical cell. The device disclosed herein may further comprise at least one seal which in the closed state of the device, in particular after the pneumatic clamping system has clamped the components and components arranged between the end plates, seals the anode space and / or the cathode space from the environment. The A large number of sensors are arranged in the anode compartment and / or form the anode compartment with.

Die hier offenbarte Vorrichtung bzw. Medienversorgung kann mindestens eine Gasverteilschicht aufweisen. Insbesondere kann es sich bei der Gasverteilschicht um ein Flussfeld handeln. Beispielsweise können hierzu Kanäle in der Gasverteilschicht angeordnet sein. Solche Kanäle können in jeglicher Gestalt angeordnet sein, z. B. mäanderförmig oder von einem Ende zum anderen Ende einer Platte verlaufend. Die Ausgestaltung eines solchen Flussfeldes ist einem Fachmann bekannt und unterscheidet sich nicht von der Ausbildung von Gasverteilschichten, wie sie in Bipolarplatten oder Gasdiffusionsschichten von Brennstoffzellen vorgesehen sind. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird die Gasverteilschicht von einem porösen Flussfeld ausgebildet. Besonders bevorzugt kann die Gasverteilschicht aus einem goldbeschichteten Titan-Gitter bzw. Titan-Geflecht (engl. Titan-mesh) ausgebildet werden. Ebenso kann die Gasverteilschicht zumindest bereichsweise aus einem Metallschaum hergestellt sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein Flussfeld im hier offenbarten Stromabnehmer vorgesehen sein, das dieselben Aufgaben übernehmen kann wie die Gasverteilschicht.The device or media supply disclosed here can have at least one gas distribution layer. In particular, the gas distribution layer may be a flow field. For example, channels may be arranged in the gas distribution layer for this purpose. Such channels may be arranged in any shape, e.g. B. meandering or extending from one end to the other end of a plate. The design of such a flow field is known to a person skilled in the art and does not differ from the formation of gas distribution layers, as are provided in bipolar plates or gas diffusion layers of fuel cells. In a particularly preferred embodiment, the gas distribution layer is formed by a porous flow field. Particularly preferably, the gas distribution layer can be formed from a gold-coated titanium mesh or titanium mesh. Likewise, the gas distribution layer may at least partially be made of a metal foam. Alternatively or additionally, a flow field can be provided in the current collector disclosed here, which can perform the same tasks as the gas distribution layer.

Beispielsweise kann eine Gasverteilschicht eine kathodenseitige Gasverteilschicht sein. Die kathodenseitige Gasverteilschicht kann beispielsweise zwischen einem kathodenseitigen Stromabnehmer und der Komponente angeordnet sein. Die kathodenseitige Gasverteilschicht kann über einen Oxidationsmitteleinlass und einen Oxidationsmittelauslass verfügen.For example, a gas distribution layer may be a cathode-side gas distribution layer. The cathode-side gas distribution layer can be arranged, for example, between a cathode-side current collector and the component. The cathode-side gas distribution layer may have an oxidant inlet and an oxidant outlet.

Die Vorrichtung kann ferner eine anodenseitige Gasverteilschicht aufweisen. Die anodenseitige Gasverteilschicht kann einen Brennstoffeinlass und einen Brennstoffauslass aufweisen. Ferner kann die anodenseitige Gasverteilschicht mit der Brennstoffzufuhr der Sensoren fluidverbunden sein. Bevorzugt kann die anodenseitige Gasverteilschicht zwischen dem anodenseitigen Stromabnehmer und den Sensoren angeordnet sein.The device may further comprise an anode-side gas distribution layer. The anode-side gas distribution layer may include a fuel inlet and a fuel outlet. Furthermore, the anode-side gas distribution layer may be fluid-connected to the fuel supply of the sensors. The anode-side gas distribution layer may preferably be arranged between the anode-side current collector and the sensors.

Die hier offenbarte Vorrichtung umfasst ferner Stromabnehmer (engl. current collectors). Die Stromabnehmer dienen dazu, den durch die elektrochemische Reaktion in der Vorrichtung erzeugten Strom extern bereitzustellen. Stromabnehmer als solche sind ebenfalls von Brennstoffzellensystemen bekannt. Die Stromabnehmer sind mit der sich in der Vorrichtung ausbildenden elektrochemischen Zelle elektrisch verbunden und gegenüber den Endplatten isoliert. Bevorzugt kann mindestens ein Stromabnehmer einen Kühlmittelströmungspfad aufweisen, der Bestandteil eines Kühlkreises ist. Der anodenseitige Stromabnehmer kann Stege und Kanäle aufweisen, die ein Flussfeld ausbilden. Durch die Kanäle kann der Wasserstoff zu den Brennstoffaustrittsöffnungen der Sensoren gelangen und über die Stege kann der elektrische Strom geleitet werden. Auf der von den Sensoren abgewandten Seite des Stromabnehmers können die Kühlmittelkanäle vorgesehen sein.The device disclosed herein further comprises current collectors. The current collectors serve to externally provide the current generated by the electrochemical reaction in the device. Current collectors as such are also known from fuel cell systems. The current collectors are electrically connected to the electrochemical cell forming in the device and isolated from the end plates. Preferably, at least one pantograph may have a coolant flow path which is part of a cooling circuit. The anode-side current collector may have webs and channels forming a flow field. Through the channels, the hydrogen can reach the fuel outlet openings of the sensors and via the webs, the electric current can be passed. On the side facing away from the sensors of the pantograph, the coolant channels can be provided.

Die hier offenbarte Vorrichtung umfasst zweckmäßig einen kathodenseitigen Stromabnehmer und einen anodenseitigen Stromabnehmer.The device disclosed here expediently comprises a cathode-side current collector and an anode-side current collector.

Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Verfahren zur Charakterisierung einer Komponente, insbesondere der hier offenbarten Komponente des hier offenbarten Brennstoffzellensystems. Das Verfahren umfasst den Schritt: gleichzeitiges Charakterisieren der Vielzahl benachbart zueinander angeordneter Segmente der Komponente mittels der Vielzahl an benachbart zueinander angeordneten Sensoren, wobei gleichzeitig durch zumindest einige Sensoren der Vielzahl an Sensoren Brennstoff der Komponente durch die Brennstoffzufuhr zugeführt wird. Vorteilhaft kann also die gesamte aktive Fläche einer Komponente in eine Vielzahl an Segmenten unterteilt werden.The technology disclosed herein further includes a method for characterizing a component, in particular the disclosed herein component of the fuel cell system disclosed herein. The method includes the step of simultaneously characterizing the plurality of adjacent segments of the component by means of the plurality of sensors disposed adjacent to one another while simultaneously supplying fuel to the component through the fuel supply through at least some of the plurality of sensors. Advantageously, therefore, the entire active area of a component can be subdivided into a plurality of segments.

Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach die Sensoren während einer Messung von mindestens einer Größe, die zu Charakterisierung der Komponente herangezogen wird, die Komponente zu kontaktieren.The method disclosed herein may include the step of contacting the component during a measurement of at least one size used to characterize the component.

Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach den einzelnen Segmenten der Komponente jeweils gleich viel Brennstoff zugeführt wird, sodass über die gesamte Fläche der Komponente sich eine im Wesentlichen gleichmäßige Brennstoffverteilung einstellt.The method disclosed herein may include the step of supplying equal amounts of fuel to each segment of the component such that a substantially uniform fuel distribution is established over the entire area of the component.

Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein Tool zur Charakterisierung einer MEA. Zur Charakterisierung kann die MEA in einen Messkopf eingespannt und untersucht werden. Zur Einspannung der MEA kann beispielsweise ein pneumatisches Verspannsystem (bladder compression system) verwendet werden. Der Messkopf kann beispielsweise zwei gold- und/oder nickelbeschichteten Kupferplatten aufweisen. Die Kathode weist bevorzugt ein zweckmäßig poröses Flussfeld auf, das ausgebildet ist, Oxidationsmittel der MEA bereitzustellen. Besonders vorteilhaft ist die Vorrichtung eingerichtet, einen größeren Ausschnitt mit einem großen Messkopf zu charakterisieren. Bevorzugt kann die gesamte MEA in einem Verfahrensschritt charakterisiert werden. Insbesondere kann eine Brennstoffzufuhr, insbesondere mindestens ein Loch oder Brennstoffaustrittsöffnung vorgesehen sein. Durch das mindestens eine Loch strömt der Brennstoff, bevorzugt Wasserstoff.In other words, the technology disclosed herein relates to a tool for characterizing an MEA. For characterization, the MEA can be clamped in a measuring head and examined. For clamping the MEA, for example, a pneumatic clamping system (bladder compression system) can be used. The measuring head may, for example, have two gold- and / or nickel-coated copper plates. The cathode preferably has a suitably porous flow field configured to provide MEA oxidant. Particularly advantageously, the device is set up to characterize a larger section with a large measuring head. Preferably, the entire MEA can be characterized in one process step. In particular, a fuel supply, in particular at least one hole or fuel outlet opening can be provided. Through the at least one hole of the fuel flows, preferably hydrogen.

Die Kühlung der MEA kann über Kühlmittelkanäle erfolgen, die in den Stromabnehmer (Anode und/oder Kathode) eingefräst sein können. Die Stromabnehmer bzw. die Kühlmittelkanäle können aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt sein, insbesondere gold- bzw. nickelbeschichtetes Kupfer. The cooling of the MEA can be done via coolant channels, which can be milled into the current collector (anode and / or cathode). The current collector or the coolant channels can be made of copper or a copper alloy, in particular gold- or nickel-coated copper.

Bevorzugt können für das Oxidationsmittel und/oder für den Brennstoff Gasverteilschichten vorgesehen sein, insbesondere poröse Flussfelder. Für verbesserte Kontaktwiderstände bzw. eine verbesserte Strom- und/oder Gasverteilung können Metallschäume oder Streckmetalle eingesetzt werden, insbesondere goldbeschichtete Metallschäume oder Streckmetalle. Auf der Anode kann zusätzlich eine Stromdichte- und Temperaturverteilungsmessplatte eingebaut. Die Messplatte besitzt Löcher in den einzelnen Segmenten, wodurch der Brennstoff zur MEA gelangen kann.Preferably, gas distribution layers may be provided for the oxidant and / or for the fuel, in particular porous flow fields. Metal foams or expanded metals, in particular gold-coated metal foams or expanded metals, can be used for improved contact resistance or improved current and / or gas distribution. An additional current density and temperature distribution plate can be installed on the anode. The measuring plate has holes in the individual segments, whereby the fuel can reach the MEA.

Vorteilhaft kann die gesamte MEA in einem Schritt charakterisiert werden. Ferner vorteilhaft kann das gesamte Anodensubsystem der Vorrichtung als abgeschlossenes System ausgebildet sein. Somit kann eine kontinuierliche Stickstoff-Spülung entfallen und es kann kein Wasserstoff in die Umgebung gelangen. Die MEA kann gleichmäßig mit den Reaktanden versorgt werden. Die Löcher in der Sensorplatte ersetzen das Flussfeld und versorgen die MEA mit Wasserstoff.Advantageously, the entire MEA can be characterized in one step. Further advantageously, the entire anode subsystem of the device may be formed as a closed system. Thus, a continuous nitrogen purge can be omitted and it can not get hydrogen into the environment. The MEA can be supplied evenly with the reactants. The holes in the sensor plate replace the flow field and supply the MEA with hydrogen.

Die Charakterisierung der Komponente kann hier ferner zerstörungsfrei erfolgen.The characterization of the component can also be done non-destructively here.

Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:The technology disclosed herein will now be explained with reference to the figures. Show it:

1 eine schematische Ansicht entlang der Linie B-B der 2; und 1 a schematic view along the line BB of 2 ; and

2 eine schematische Ansicht entlang der Linie A-A der 1. 2 a schematic view along the line AA of 1 ,

Die 1 zeigt die Vorrichtung 100 zur Bewertung einer Komponente 200. die Komponente 200 ist hier eine MEA 200. Die MEA 200 umfasst einen ionenpermeablen Separator 210, der zumindest bereichsweise umgeben ist von den Elektroden 220. Die MEA 200 ist hier eingefasst von einem Rahmen (= subframe) 230. Eine solche MEA 200 wird typischerweise in Brennstoffzellensystemen eingesetzt. Die MEA 200 bzw. deren Rahmen 230 wird hier an jedem Rand gehalten von zwei Dichtungen 130 der Vorrichtung, die den Anodenraum 144 bzw. den Kathodenraum 142 abdichten.The 1 shows the device 100 to evaluate a component 200 , the component 200 here is an MEA 200 , The MEA 200 comprises an ion-permeable separator 210 which is at least partially surrounded by the electrodes 220 , The MEA 200 is enclosed by a frame (= subframe) 230 , Such an MEA 200 is typically used in fuel cell systems. The MEA 200 or their frame 230 is held here at each edge by two seals 130 the device, the anode compartment 144 or the cathode compartment 142 caulk.

An einer Seite der MEA 200 liegt eine Vielzahl an Sensoren 110 mit ihren Sensoroberflächen 114 (vgl. 2) an. Die Sensoren 110 sind hier gleichmäßig über die aktive Fläche der MEA 200 verteilt angeordnet. Zwischen den unmittelbar benachbart angeordneten Sensoren 110 ist ein hier vergrößert dargestellt Spalt angeordnet. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist dieser Spalt möglichst gering. Sofern die einzelnen Sensoren 110 an ihrem Rand isolierend ausgebildet sind, können die Sensoren 110 auch direkt aneinander anliegen. In jedem dieser Sensoren 110 sind jeweils zwei Löcher bzw. Brennstoffaustrittsöffnungen 112 vorgesehen (vgl. 2), die die Brennstoffzufuhr 112 ausbilden. Die Sensoren 110 sind hier in einer Sensorschicht angeordnet. Die Brennstoffaustrittsöffnungen 112 sind fluidverbunden mit einer anodenseitigen Gasverteilschicht 154, die auf den Sensoren aufliegt. Die anodenseitige Gasverteilschicht 154 umfasst einen Brennstoffeinlass H2 in und einen Brennstoffauslass H2 out auf. Durch den Brennstoffeinlass kann der Brennstoff, hier beispielsweise Wasserstoff, in die anodenseitige Gasverteilschicht 154 einströmen, bevor er über die Brennstoffzufuhr 112 zur MEA 200 gelangt. Ein Teil des Wasserstoffs kann beispielsweise durch den Brennstoffauslass H2 out wieder ausströmen. Nicht dargestellt sind hier die weiteren Komponenten des Anodensubsystems. Eine solche anodenseitige Gasverteilschicht 154 muss aber nicht vorgesehen sein. Anstelle einer solchen anodenseitigen Gasverteilerschicht 154 kann bevorzugt in einer separaten Platte oder in dem anodenseitigen Stromabnehmer 174 ein Flussfeld vorgesehen sein, wobei das Flussfeld in der den Sensoren 110 zugewandten Seite ausgebildet ist, und wobei das Flussfeld mit den Brennstoffaustrittsöffnungen 112 der Sensoren 110 fluidverbunden ist. Das Flussfeld ist dann fluidverbunden mit einem Brennstoffeinlass H2 in und einen Brennstoffauslass H2 out der Vorrichtung.On one side of the MEA 200 There is a large number of sensors 110 with their sensor surfaces 114 (see. 2 ) at. The sensors 110 here are even across the active area of the MEA 200 arranged distributed. Between the immediately adjacent arranged sensors 110 a magnified gap is shown here. In a preferred embodiment, this gap is as small as possible. Unless the individual sensors 110 formed on their edge insulating, the sensors can 110 also lie directly against each other. In each of these sensors 110 are each two holes or fuel outlet openings 112 provided (cf. 2 ), which is the fuel supply 112 form. The sensors 110 are arranged here in a sensor layer. The fuel outlet openings 112 are fluidly connected to an anode-side gas distribution layer 154 which rests on the sensors. The anode-side gas distribution layer 154 includes a fuel inlet H 2 in and a fuel outlet H 2 out . Through the fuel inlet of the fuel, here for example hydrogen, in the anode-side Gasverteilschicht 154 pour in before going over the fuel supply 112 to the MEA 200 arrives. A part of the hydrogen can flow out again, for example through the fuel outlet H 2 out . Not shown here are the other components of the anode subsystem. Such an anode-side gas distribution layer 154 but must not be provided. Instead of such an anode-side gas distribution layer 154 may preferably be in a separate plate or in the anode-side current collector 174 a flow field may be provided, wherein the flow field in the the sensors 110 is formed facing side, and wherein the flow field with the fuel outlet openings 112 the sensors 110 fluidly connected. The flow field is then fluidly connected to a fuel inlet H 2 in and a fuel outlet H 2 out of the device.

Der hier dargestellten Ausführungsform liegt eine kathodenseitige Gasverteilschicht 152 an der zweiten aktiven Fläche der MEA 200 an. Die kathodenseitige Gasverteilschicht 152 ist fluidverbunden mit einem Kathodeneinlass AIRin und einen Kathodenauslass AIRout. Die MEA 200, die kathodenseitige Gasverteilschicht 152 und der kathodenseitige Stromabnehmer 172 bilden hier zusammen den Kathodenraum 142 aus. Die weiteren Komponenten des Kathodensubsystems sind hier nicht gezeigt.The embodiment shown here is a cathode-side gas distribution layer 152 at the second active area of the MEA 200 at. The cathode-side gas distribution layer 152 is fluidly connected to a cathode inlet AIR in and a cathode outlet AIR out . The MEA 200 , the cathode-side gas distribution layer 152 and the cathode-side current collector 172 together form the cathode space here 142 out. The other components of the cathode subsystem are not shown here.

Die hier gezeigte Vorrichtung 100 umfasst ferner einen kathodenseitigen Stromabnehmer 172 sowie einen anodenseitigen Stromabnehmer 174. in dem anodenseitigen Stromabnehmer 174 ist ein Kühlmittelkanal vorgesehen in den auf einer Seite Wasser einströmt und auf der anderen Seite ausströmt. Ebenso kann ein solcher Kühlkanal in dem kathodenseitigen Stromabnehmer 172 vorgesehen sein, der hier jedoch vereinfachend weggelassen wurde.The device shown here 100 further comprises a cathode-side current collector 172 and an anode-side current collector 174 , in the anode-side current collector 174 a coolant channel is provided in which water flows in on one side and flows out on the other side. Likewise, such a cooling channel in the cathode-side current collector 172 be provided, which has been omitted here for simplicity.

Die Stromabnehmer 172, 174 liegen an den Gasverteilschichten 154, 152 an. Die kathodenseitige Endplatte 182 und die anodenseitige Endplatte 184 sind ausgebildet, die Komponente 200 in der Vorrichtung zu positionieren, beispielsweise in dem alle Komponenten hier verspannt werden..The pantographs 172 . 174 lie on the gas distribution layers 154 . 152 at. The cathode-side end plate 182 and the anode-side end plate 184 are trained, the component 200 To position in the device, for example, in which all components are braced here ..

Die 2 zeigt eine Querschnittsansicht entlang des Querschnitts A-A der 1. Die Vielzahl an Sensoren 110 sind hier unmittelbar benachbart zueinander angeordnet. Jeder Sensor 110 weist in seiner Sensoroberfläche 114 zwei Brennstoffaustrittsöffnungen 112 auf. Ebenso könnten aber auch lediglich eine Öffnung oder mehrere Öffnungen vorgesehen sein. Die Öffnungen sind so angeordnet und so dimensioniert, dass sich eine im Wesentlichen gleichmäßige Versorgung der Komponente mit Brennstoff einstellt.The 2 shows a cross-sectional view along the cross section AA of 1 , The variety of sensors 110 are here immediately adjacent to each other. Every sensor 110 points in its sensor surface 114 two fuel outlets 112 on. Likewise, however, only one opening or several openings could be provided. The openings are arranged and dimensioned to provide a substantially uniform supply of fuel to the component.

Der Stromfluss sämtlicher Medien, wie in den Figuren gezeigt ist, kann auch anders gestaltet sein. Insbesondere können die Medienströme generell im Gleichstrom und/oder im Gegenstrom erfolgen.The current flow of all media, as shown in the figures, can also be designed differently. In particular, the media streams can generally be done in cocurrent and / or countercurrent.

Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)” teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z. B. der/ein Sensor, die/eine Komponente, die/eine Brennstoffzelle, die/eine Brennstoffzufuhr, der/ein ionenselektiver Separator, die/eine Dichtung, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z. B. der mindestens eine Sensor, die mindestens eine Komponente, die mindestens eine Brennstoffzelle, die mindestens eine Brennstoffzufuhr, der mindestens eine ionenselektiver Separator, die mindestens eine Dichtung, etc.).For the sake of legibility, the term "at least one" has been omitted for simplicity. If a feature of the technology disclosed herein is singularly described (eg, the sensor (s), the component (s), the fuel cell, the fuel supply, the ion selective separator, the gasket (s) At the same time, the majority of them should also be disclosed (eg the at least one sensor, the at least one component, the at least one fuel cell, the at least one fuel supply, the at least one ion-selective separator, the at least one seal, etc .).

Claims (8)

Vorrichtung (100) zur Charakterisierung einer Komponente (200) einer Brennstoffzelle mit einer Vielzahl an benachbart zueinander angeordneten Sensoren (110), wobei die Sensoren (110) eingerichtet sind, während einer Messung die Komponente (200) zu kontaktieren, wobei in zumindest einigen Sensoren (110) der Vielzahl an Sensoren (110) eine Brennstoffzufuhr (112) vorgesehen ist, und wobei Brennstoff durch die Brennstoffzufuhr (112) zur Komponente (200) gelangt.Contraption ( 100 ) for characterizing a component ( 200 ) of a fuel cell with a plurality of adjacently arranged sensors ( 110 ), whereby the sensors ( 110 ), during a measurement the component ( 200 ), in at least some sensors ( 110 ) of the plurality of sensors ( 110 ) a fuel supply ( 112 ) is provided, and wherein fuel through the fuel supply ( 112 ) to the component ( 200 ). Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, als Komponente (200) einen ionenselektiven Separator (220) aufzunehmen.Device according to claim 1, wherein the device is designed as a component ( 200 ) an ion-selective separator ( 220 ). Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensoren (110) Hall-Sensoren (110) sind.Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the sensors ( 110 ) Hall sensors ( 110 ) are. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vielzahl an Sensoren (110) eingerichtet sind, die Komponente (200) über ihre gesamte Fläche gleichmäßig mit Brennstoff zu versorgen.Device according to one of the preceding claims, wherein the plurality of sensors ( 110 ), the component ( 200 ) to provide evenly over its entire surface with fuel. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend mindestens eine Dichtung (130), die einen Anodenraum (144) gegenüber der Umgebung abdichtet.Device according to one of the preceding claims, further comprising at least one seal ( 130 ), which has an anode space ( 144 ) seals against the environment. Verfahren zur Charakterisierung einer Komponente (200) einer Brennstoffzelle, umfassend den Schritt: gleichzeitiges Charakterisieren einer Vielzahl benachbart zueinander angeordneter Segmente der Komponente (200) mittels einer Vielzahl an benachbart zueinander angeordneten Sensoren (110), wobei gleichzeitig durch zumindest einige Sensoren (110) der Vielzahl an Sensoren (110) Brennstoff der Komponente (200) zugeführt wird.Method for characterizing a component ( 200 ) of a fuel cell, comprising the step of: simultaneously characterizing a plurality of adjacent segments of the component ( 200 ) by means of a plurality of adjacently arranged sensors ( 110 ), whereby at the same time by at least some sensors ( 110 ) of the plurality of sensors ( 110 ) Fuel of the component ( 200 ) is supplied. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Sensoren (110) während einer Messung von mindestens einer Größe, die zur Charakterisierung der Komponente (200) herangezogen wird, die Komponente (200) kontaktieren.Method according to claim 6, wherein the sensors ( 110 ) during a measurement of at least one size used to characterize the component ( 200 ), the component ( 200 ) to contact. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei den einzelnen Segmenten der Komponente (200) jeweils gleich viel Brennstoff zugeführt wird, sodass über die gesamte Fläche der Komponente (200) sich eine gleichmäßige Brennstoffverteilung einstellt.Method according to claim 6 or 7, wherein the individual segments of the component ( 200 ) is supplied with the same amount of fuel, so that over the entire surface of the component ( 200 ) adjusts a uniform fuel distribution.
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