DE102017212884A1

DE102017212884A1 - Prüfvorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102017212884A1
Application number: DE102017212884.4A
Authority: DE
Inventors: Julian Arndt Hirschfeld; Johannes Schmid
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-07-26
Filing date: 2017-07-26
Publication date: 2019-01-31
Also published as: US11424472B2; WO2019020263A1; CN110809832B; US20200112046A1; CN110809832A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel, wobei der Brennstoffzellenstapel mehrere entlang einer Stapelachse gestapelte Brennstoffzellen umfasst, die jeweils Medienöffnungen in Form von Durchgangsausnehmungen aufweisen, und wobei im gestapelten Zustand entsprechende Medienöffnungen zur Bildung von Medienleitungen fluchten, wobei die Prüfvorrichtung umfasst: einen in eine Medienleitung einführbaren Stab, und zumindest ein am Stab angeordnetes Dichtelement zum Abdichten der Medienleitung, um zumindest eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels von den restlichen Brennstoffzellen zu trennen, und/oder zumindest ein mit dem Stab einführbares Kontaktelement zum elektrischen Kontaktieren einer einzelnen Brennstoffzelle innerhalb der Medienleitung.

Description

Vorliegende Technologie betrifft eine Prüfvorrichtung zum Prüfen eines Brennstoffzellenstapels sowie ein entsprechendes Verfahren zum Prüfen des Brennstoffzellenstapels.
Ein Brennstoffzellenstapel umfasst üblicherweise mehrere gestapelte Brennstoffzellen. An den stirnseitigen Enden des Brennstoffzellenstapels befinden sich Endplatten. Die Endplatten können auch als Druckplatten bezeichnet werden. Zumindest eine der Endplatten kann als Medienplatte ausgebildet sein und dient zum Zuführen bzw. Abführen der entsprechenden Medien zum/vom Brennstoffzellenstapel. Bei den Medien handelt es sich um Brennstoff, Oxidationsmittel und gegebenenfalls Kühlflüssigkeit.
Die einzelne Brennstoffzelle weist in ihrem Randbereich mehrere Medienöffnungen auf. Die Medienöffnungen sind Durchgangsausnehmungen. Im gestapelten Zustand fluchten die entsprechenden Medienöffnungen der unterschiedlichen Brennstoffzellen und bilden dadurch eine Medienleitung. Üblicherweise sind zumindest vier Medienleitungen vorgesehen: zum Zuführen bzw. Abführen des Brennstoffs und zum Zuführen bzw. Abführen des Oxidationsmittels. Bei Verwendung eines Kühlkreislaufs sind sechs Medienleitungen vorgesehen. Dementsprechend weist die einzelne Brennstoffzelle vier oder sechs Medienöffnungen auf.
In Prüfständen für Brennstoffzellen werden entweder gesamte Brennstoffzellenstapel oder Teilstapel überprüft. Dabei werden alle Brennstoffzellen im jeweiligen Stapel gleichzeitig überprüft. Bei der Überprüfung wird der Stapel zum Beispiel über die Medienleitungen mit einem flüssigen oder gasförmigen Fluid beaufschlagt, um die Dichtigkeit, eine Durchflussrate oder einen Druckabfall zu messen. Des Weiteren können im Prüfstand die Brennstoffzellen von außen elektrisch kontaktiert werden, um eine Kurzschlussmessung durchzuführen.
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 Prüfvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren vorzuschlagen, die es ermöglichen, auf einfache und effiziente Weise, einzelne Brennstoffzellen innerhalb eines Stapels zu überprüfen. 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.
Die hier offenbarte Technologie betrifft unter anderem einen Brennstoffzellenstapel als Bestandteil eines Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, 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. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. 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: Nation®, Flemion® und Aciplex®.
Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle vorzugsweise periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. Die Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems umfassen i.d.R. zwei Separatorplatten. Der ionenselektive Separator einer Brennstoffzelle ist i.d.R. jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator die Anode aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem inonenselektiven Separator die Kathode aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff bzw. für Oxidationsmittel vorgesehen. Die Separatorplatten können als Monopolarplatten und/oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Mit anderen Worten weist eine Separatorplatte zweckmäßig zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator eine Anode ausbildet und die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator einer benachbarten Brennstoffzelle eine Kathode.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Prüfvorrichtung, ausgebildet zum Überprüfen einzelner Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel. Der zu überprüfende Brennstoffzellenstapel umfasst dabei mehrere, entlang einer Stapelachse gestapelte Brennstoffzellen. Dabei kann es sich um einen Teilstapel handeln, wobei mehrere der Teilstapel zu einem Gesamtstapel zusammengesetzt werden. Ferner kann auch der Gesamtstapel, gegebenenfalls mit weiteren Stapelelementen, wie beispielsweise Endplatten, Stromabnehmerplatten und Isolatorplatten, der Prüfung unterzogen werden.
Die Brennstoffzellen umfassen jeweils Medienöffnungen in Form von Durchgangsausnehmungen. Im gestapelten Zustand fluchten entsprechende Medienöffnungen und bilden dadurch die Medienleitungen, parallel zur Stapelachse. Die Prüfvorrichtung wird in eine dieser Medienleitungen eingeführt. In den einzelnen Brennstoffzellen sind Medienkanäle ausgebildet, die senkrecht zur Stapelachse verlaufen. Die Medienkanäle verbinden zusammengehörige Medienleitungen, so beispielsweise die Medienleitung für den Zulauf des Oxidationsmittels mit der Medienleitung für den Ablauf des Oxidationsmittels. Die Prüfvorrichtung umfasst einen Stab zum Einführen in die Medienleitung. Auf diesem Stab ist zumindest ein Dichteelement angeordnet, dass mit dem Stab in die Medienleitung eingeführt wird. In der Medienleitung dichtet das Dichteelement die Medienleitung ab und trennt somit zumindest eine Brennstoffzelle von den restlichen Brennstoffzellen ab. Diese zumindest eine abgetrennte Brennstoffzelle befindet sich in einem Bereich der Medienleitung, der hier als Prüfabschnitt bezeichnet wird. In diesem Prüfabschnitt kann eine Brennstoffzelle oder können mehrere zu prüfende Brennstoffzellen liegen.
Insbesondere ist ein weiteres Dichteelement vorgesehen, um den Prüfabschnitt beidseitig abzudichten. In einer einfachen Ausgestaltung der Prüfvorrichtung liegt dieses zweite Dichteelement außerhalb der Medienleitung und muss sich nicht zwangsläufig am Stab der Prüfvorrichtung befinden. Wie anhand einer bevorzugten Ausgestaltung noch beschrieben wird, werden vorzugsweise jedoch zumindest zwei Dichtelemente mit dem Stab in die Medienleitung eingeführt, sodass an beliebiger Stelle innerhalb des Brennstoffzellenstapels eine beliebige Anzahl an Brennstoffzellen abgetrennt werden können.
Die Abtrennung der zumindest einen Brennstoffzelle von den weiteren Brennstoffzellen ermöglicht es, lediglich die zumindest eine abgetrennte Brennstoffzelle mit einem Fluid zu beaufschlagen. Dabei kann ein gasförmiges oder flüssiges Fluid verwendet werden. Das Fluid strömt über den abgetrennten Prüfabschnitt der Medienleitung durch die in den Brennstoffzellen ausgebildeten Medienkanäle in die zugehörige Medienleitung auf der anderen Seite. Anhand des hier vorgestellten Verfahrens wird noch beschrieben, dass insbesondere zwei der Prüfvorrichtungen verwendet werden, die in den beiden, über Medienkanäle verbundenen Medienleitungen identische Prüfabschnitte abdichten.
Zusätzlich oder alternativ zu dem zumindest einen Dichteelement umfasst ddie Prüfvorrichtung zumindest ein Kontaktelement. Das Kontaktelement wird zusammen mit dem Stab in die Medienleitung eingeführt und kontaktiert so die gewünschte Brennstoffzelle. Das Kontaktelement ermöglicht einen elektrisch leitenden Kontakt zur jeweiligen Brennstoffzelle. Ein zweiter elektrischer Kontakt zum Brennstoffzellenstapel kann grundsätzlich an beliebiger Stelle erfolgen. Mittels einer Kurzschlussmessung kann so eine einzelne Brennstoffzelle oder können so mehrere Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels überprüft werden.
In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass am Stab zumindest zwei beabstandete Dichtelemente angeordnet sind. Beide Dichtelemente dienen zum Abdichten der Medienleitung. Wie beschrieben, wird zumindest eines der beiden Dichtelemente mit dem Stab in die Medienleitung eingeführt und dichtet innerhalb der Medienleitung die Medienleitung ab. Das zweite Dichteelement am Stab kann auch außen am Brennstoffzellenstapel ansetzen und somit das äußere Ende der Medienleitung abdichten.
Besonders bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die zumindest zwei Dichtelemente zusammen mit dem Stab in die Medienleitung einführbar sind. Zwischen diesen beiden Dichtelementen befindet sich der Prüfabschnitt und somit die zumindest eine abgetrennte Brennstoffzelle. Dadurch, dass beide Dichtelemente mit dem Stab in die Medienleitung einführbar sind, kann eine beliebige Anzahl an Brennstoffzellen an beliebiger Stelle innerhalb des Brennstoffzellenstapels abgetrennt werden.
Vorzugsweise weist der Stab, insbesondere zwischen den beiden an ihm angeordneten Dichteelementen, eine Fluidöffnung auf. In oder am Stab verläuft eine Fluidleitung von der Fluidöffnung nach außen. Über diese Fluidleitung und die Fluidöffnung ist ein Fluid in den Prüfabschnitt der Medienleitung zuführbar bzw. abführbar. Die Verwendung dieses Fluides ermöglicht beispielsweise eine Dichtigkeitsmessung, eine Durchflussmessung oder die Messung eines Druckabfalls an der zumindest einen abgetrennten Brennstoffzelle.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind an dem Stab zumindest drei beabstandete Dichtelemente angeordnet. Jeweils zwischen zwei Dichteelementen befindet sich ein eigener Prüfabschnitt, der zumindest eine Brennstoffzelle von den weiteren Brennstoffzellen abtrennt. Dadurch sind mit nur einem Vorgang zumindest zwei Prüfabschnitte gleichzeitig überprüfbar.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Stab für jeden einzelnen Prüfabschnitt eine eigene Fluidöffnung und eine eigene, zu der Fluidöffnung führende Fluidleitung aufweist.
Im Folgenden werden genaue Ausgestaltungen der Dichtelemente beschrieben. Diese Ausgestaltungen sind an einer Prüfvorrichtung auch kombinierbar, sodass die mehreren Dichtelemente einer Prüfvorrichtung unterschiedlich ausgestaltet werden können.
Vorzugsweise ist das Dichteelement zum Abdichten aufblasbar. Das Dichteelement liegt hierzu beispielsweise in Form eines aufblasbaren Ballons oder aufblasbaren Rings vor. In den Stab ist vorzugsweise eine Betätigungsvorrichtung, insbesondere mit einer Druckleitung, zum Aufblasen des Dichteelements integriert.
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass das Dichteelement über eine entsprechende Mechanik mit dem Stab verbunden ist, wobei die Mechanik ein radiales Ein- und Ausfahren des Dichtelements ermöglicht. Auch diese Mechanik wird vorzugsweise über eine in den Stab integrierte Betätigungsvorrichtung betätigt.
In einer weiteren Variante ist vorgesehen, dass das Dichteelement zumindest eine elastische, ringförmige Dichtlippe umfasst. Die Größe, insbesondere der Umfang, und die Form der Dichtlippe entsprechen der Medienöffnung der Medienleitung. Das Dichteelement mit der Dichtlippe ist in seiner Größe nicht veränderbar. Die Dichtlippe ist entsprechend elastisch, sodass sie beim Einführen der Prüfvorrichtung durch die einzelnen Medienöffnungen hindurch bis zur gewünschten Stelle schiebbar ist. Insbesondere weist das einzelne Dichteelement zwei konzentrische Dichtlippen auf, wobei im abgedichteten Zustand sich die Medienöffnung bzw. der Rand der Medienöffnung zwischen den beiden Dichtlippen befindet.
Vorzugsweise ist das Dichteelement in allen beschriebenen Varianten auf dem Stab verschiebbar angeordnet und kann an verschiedenen Stellen des Stabes am Stab fixiert werden. Dadurch kann die Größe des Prüfabschnitts variiert werden.
Für die elektrische Überprüfung umfasst die Prüfvorrichtung vorzugsweise zumindest zwei beabstandete Kontaktelemente zum elektrischen Kontaktieren von zumindest zwei unterschiedlichen Brennstoffzellen in der Medienleitung. Die Kontaktelemente sind so angeordnet, dass sie zusammen mit dem Stab in die Medienleitung einführbar sind. Je nachdem, wie groß der Prüfabschnitt eingestellt ist, liegt/liegen zwischen den beiden Kontaktelementen eine oder mehrere der Brennstoffzellen. Die Kurzschlussmessung erfolgt jeweils zwischen zwei Kontaktelementen.
Besonders bevorzugt ist das einzelne Kontaktelement auf dem Dichtelement angeordnet. Hierzu ist beispielsweise der äußere Umfang des Dichtelements elektrisch leitend ausgeführt. Dadurch erfolgt die elektrische Kontaktierung der gewünschten Brennstoffzelle gleichzeitig mit dem Positionieren des Dichtelements an der gewünschten Stelle.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, das Kontaktelement als Schleifkontakt auszuführen. Bei dem Dichteelement mit elastischer Dichtlippe kann das als Schleifkontakt ausgeführte Kontaktelement an der Dichtlippe angeordnet werden. Beim Einführen der Prüfvorrichtung in die Medienleitung schleift das Kontaktelement an den einzelnen Brennstoffzellen. Sobald die Prüfvorrichtung an gewünschter Stelle positioniert ist, kontaktiert der Schleifkontakt die gewünschte Brennstoffzelle. Alternativ hierzu ist es auch möglich, den Schleifkontakt unabhängig vom Dichtelement am Stab anzuordnen. Auch hierbei schleift das Kontaktelement beim Einführen der Prüfvorrichtung an den einzelnen Brennstoffzellen und sobald die Prüfvorrichtung an der gewünschten Stelle positioniert ist, ist die gewünschte Brennstoffzelle kontaktiert.
Vorzugsweise befindet sich an dem Stab der Prüfvorrichtung eine Erfassungseinheit. Diese Erfassungseinheit wird zusammen mit dem Stab in die Medienleitung eingeführt. Die Erfassungseinheit ist beispielsweise eine Kamera, ein Lichtleiter oder ein entsprechender Sensor. Die Erfassungseinheit ist dazu ausgebildet, um die einzelnen Brennstoffzellen innerhalb der Medienleitung zu erkennen. Aufgrund von Fertigungstoleranzen können die einzelnen Brennstoffzellen unterschiedliche Höhen (Pitch) aufweisen. Mittels der Erfassungseinheit kann die tatsächliche Position des Stabes relativ zu den einzelnen Brennstoffzellen erkannt werden. Dies ermöglicht eine sehr genaue Positionierung des zumindest einen Dichtelements bzw. des zumindest einen Kontaktelements innerhalb der Medienleitung. Die Kamera bzw. der Lichtleiter der Erfassungseinheit haben zusätzlich den Vorteil, dass so weitere Fehler, wie beispielsweise Fremdkörper, Partikel oder ein Versatz innerhalb des Brennstoffzellenstapels erkannt werden können.
Vorzugsweise wird zum Prüfen des Brennstoffzellenstapels eine Anordnung aus zwei der Prüfvorrichtungen verwendet. Die beiden Prüfvorrichtungen sind mit einem fixierten Abstand zueinander auf einem Prüfsockel angeordnet. Die beiden Stäbe stehen parallel zueinander und parallel zur Stapelachse. Durch die feste Positionierung der beiden Prüfvorrichtungen zueinander kann sichergestellt werden, dass beide Prüfvorrichtungen exakt gleichweit in die zusammengehörigen Medienleitungen eingeführt werden.
Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zum Prüfen des Brennstoffzellenstapels. Insbesondere wird hierzu zumindest eine der beschriebenen Prüfvorrichtungen verwendet. Die im Rahmen der Prüfvorrichtung vorgestellten Unteransprüche und vorteilhaften Ausgestaltungen finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf das Verfahren.
Bei dem Verfahren erfolgt zunächst ein Einführen einer Prüfvorrichtung in eine der Medienleitungen des Brennstoffzellenstapels. In der Medienleitung wird mittels der Prüfvorrichtung die Medienleitung an einer gewünschten Stelle abgedichtet, um zumindest eine Brennstoffzelle von den restlichen Brennstoffzellen zu trennen. Daraufhin wird der abgetrennte Prüfabschnitt der Medienleitung mit einem flüssigen oder gasförmigen Fluid beaufschlagt. Anhand des Fluides erfolgt eine Dichtigkeitsmessung und/oder Durchflussmessung und/oder Druckabfallmessung.
Zusätzlich oder alternativ zum Abdichten und Einleiten eines Fluides, erfolgt innerhalb der Medienleitung ein elektrisches Kontaktieren einer einzelnen Brennstoffzelle mit der Prüfvorrichtung. Des Weiteren wird der Brennstoffzellenstapel an einer beliebigen weiteren Stelle elektrisch leitend kontaktiert. Es erfolgt eine Kurzschlussmessung zwischen den beiden Kontakten.
Besonders bevorzugt werden zwei der Prüfvorrichtungen, insbesondere zwei Prüfvorrichtungen wie sie hier ausführlich beschrieben wurden, in zwei Medienleitungen des Brennstoffzellenstapels eingeführt. Dabei handelt es sich um zwei zusammengehörige Medienleitungen, die über Medienkanäle verbunden sind. Diese Medienkanäle verlaufen senkrecht zur Stapelachse durch die Brennstoffzellen. Mit den beiden Prüfvorrichtungen werden in den beiden Medienleitungen die gleichen Prüfabschnitte, also die gleichen Brennstoffzellen abgetrennt.
Wie bereits beschrieben, weisen die Stäbe der Prüfvorrichtungen vorzugsweise Fluidöffnungen und Fluidleitungen auf, um bei der Prüfung ein entsprechendes Fluid in den, durch die Dichtelemente abgetrennten Prüfabschnitt zu leiten bzw. abzuführen. Bei der Verwendung der beiden Prüfvorrichtungen fließt das Fluid von der einen Prüfvorrichtung durch den Medienkanal der zumindest einen abgetrennten Brennstoffzelle in die andere Prüfvorrichtung.
Durch eine entsprechende Anordnung der Dichtelemente auf dem Stab der Prüfvorrichtung können einzelne Brennstoffzellen oder mehrere Brennstoffzellen abgetrennt werden. So ist es insbesondere vorgesehen, in einem ersten Schritt mehrere Brennstoffzellen abzutrennen und zu überprüfen. Sollte an diesen mehreren, abgetrennten Brennstoffzellen ein Fehler erkannt werden, wird der Prüfabschnitt verkleinert, um schrittweise die fehlerhafte Brennstoffzelle zu ermitteln.
Des Weiteren ist es bevorzugt vorgesehen, basierend auf Druckwerten und/oder Durchflusswerten des Fluides, welches über die zumindest eine Prüfvorrichtung fließt, zu ermitteln, ob die Dichtelemente richtig positioniert sind. Ist beispielsweise vorgesehen, nur eine Brennstoffzelle abzutrennen und wird ein ungewöhnlich hoher Durchfluss gemessen, so kann daraus geschlossen werden, dass die Dichtelemente nicht richtig positioniert sind und mehr als eine Brennstoffzelle abgetrennt wurden.
Des Weiteren ist es bevorzugt vorgesehen, durch Röntgenstrahlen von außen die Positionierung der Prüfvorrichtung innerhalb der Medienleitung zu überprüfen.
Vorzugsweise weist die einzelne Prüfvorrichtung zumindest zwei der Kontaktelemente auf, wobei die zumindest zwei Kontaktelemente in die Medienleitung eingeführt werden. Mit den zumindest zwei Kontaktelementen werden zumindest zwei unterschiedliche Brennstoffzellen elektrisch leitend kontaktiert, um eine Kurzschlussmessung durchzuführen. Die zumindest eine Brennstoffzelle lädt sich bei Anlegen einer Spannung entsprechend eines Plattenkondensators auf. Aus der bekannten Distanz der Bipolarplatten der Brennstoffzellen zueinander und der bekannte Dielektrizitätskonstante kann mit angenommenen konstanten Widerstand der Membranelektroden-Einheit ein Kontaktwiderstand der einzelnen Bipolarplatten zueinander anhand des Anstiegsverhaltens des gemessenen Widerstands bestimmt werden.
Die Brennstoffzellen, insbesondere die einzelnen Bipolarplatten, weisen üblicherweise an der Außenseite Anschlüsse für ein Zellüberwachungssystem auf. Wenn dieses Zellüberwachungssystem bereits angeschlossen ist, kann über das zumindest eine Kontaktelement der Prüfvorrichtung vom Inneren der Medienleitung ein Stromfluss in das Zellüberwachungssystem erzeugt werden. Dadurch kann beispielsweise eine korrekte Kontaktierung des Zellüberwachungssystems an den Anschlüssen überprüft werden.
Die beiden Prüfvorrichtungen können von der gleichen Seite oder den beiden gegenüberliegenden Seiten in die Medienleitungen eingeführt werden. Dies ist insbesondere möglich, solange die eine Seite des Brennstoffzellenstapels noch nicht mit einer Endplatte verschlossen ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass hier beschriebene Verfahren durchzuführen, während der Brennstoffzellenstapel aufgebaut wird. Beim Aufbau des Brennstoffzellenstapels werden schrittweise einzelne Brennstoffzellen oder Teilstapel übereinander gesetzt und mit einer Presse beaufschlagt. Vorzugsweise sitzt die zumindest eine Prüfvorrichtung in der Medienleitung, während die Brennstoffzellen gestapelt werden und mit der Presse beaufschlagt sind. So können defekte Brennstoffzellen während des Aufbaus des Brennstoffzellenstapels erkannt werden und noch vor dem Fertigstellen des Brennstoffzellenstapels ausgetauscht werden.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1 einen zu prüfenden Brennstoffzellenstapel,
2 eine einzelne Brennstoffzelle.
3 die hier vorgestellte Prüfvorrichtung im Brennstoffzellenstapel,
4 die Prüfvorrichtung im Detail, und
5 eine Variante der Prüfvorrichtung im Brennstoffzellenstapel.

Die Figuren zeigen rein schematisch eine Prüfvorrichtung 1 zum Prüfen eines Brennstoffzellenstapels 20. Mittels der gezeigten Prüfvorrichtung 1 wird das hier vorgestellte Verfahren zum Prüfen durchgeführt.
1 zeigt rein schematisch den Brennstoffzellenstapel 20 mit Brennstoffzellen 21, Stromabnehmerplatten 24, Isolatorplatten 23 und Endplatten 22. Die einzelnen Stapelelemente des Brennstoffzellenstapels 20 sind entlang einer Stapelachse 29 gestapelt.
An einer Stirnseite des Brennstoffzellenstapels 20 befindet sich eine der Endplatten 22, ausgebildet als Medienplatte. Über diese Endplatte 22 erfolgt das Zuführen der Medien zum Brennstoffzellenstapel 20 und das Abführen der Medien vom Brennstoffzellenstapel 20.
Zwischen den Brennstoffzellen 21 und den Endplatten 22 befinden sich die Stromabnehmerplatten 24. Die Stromabnehmerplatten 24 sind gegenüber den Endplatten 22 über Isolatorplatten 23 elektrisch isoliert.
In der als Medienplatte ausgebildeten Endplatte 22, in den Brennstoffzellen 21 und in der dazwischen liegenden Isolatorplatte 23 und Stromabnehmerplatte 24 sind jeweils mehrere Medienöffnungen 26 (siehe 2) ausgebildet. Entsprechende Medienöffnungen 26 fluchten im Brennstoffzellenstapel 20 und bilden dadurch Medienleitungen 25, die parallel zur Stapelachse 29 ausgerichtet sind.
2 zeigt eine einzelne Brennstoffzelle 21 in einer Ebene senkrecht zur Stapelachse 29. Zu sehen ist der hier relevante Teil der Brennstoffzelle 21, nämlich die Separatorplatte bzw. Bipolarplatte. Auf der gezeigten Seite sind zwei der Medienöffnungen 26, die im Brennstoffzellenstapel 20 zwei zusammengehörige Medienleitungen 25 bilden, von einer Dichtungslinie 27 umfasst. Die beiden Medienöffnungen 26 sind über einen senkrecht zur Stapelachse 29 mäandernden Medienkanal 28 verbunden.
Üblicherweise sind auf der einen Seite der Separatorplatte die Medienleitungen 25 für Zu- und Ablauf des Oxidationsmittels und auf der anderen Seite die Medienleitungen 25 für Zu- und Ablauf des Brennstoffs über entsprechende Medienkanäle 28 verbunden. Im Inneren der Separatorplatte fließt üblicherweise die Kühlflüssigkeit über Medienkanäle 28 zwischen den beiden entsprechen Medienleitungen 25.
3 zeigt rein schematisch einen Schnitt durch den Brennstoffzellenstapel 20. Zu sehen sind dabei zwei zusammengehörige Medienleitungen 25, beispielsweise die beiden Medienleitungen 25 für das Oxidationsmittel.
Ferner zeigt 3 zwei der Prüfvorrichtungen 1. Die einzelne Prüfvorrichtung 1 weist einen Stab 2 auf. Der Stab 2 steht parallel zur Stapelachse 29 und kann in die Medienleitung 25 eingeführt werden.
An dem Stab 2 befinden sich zwei Dichtelemente 3. Die beiden Dichtelemente 3 sind voneinander beabstandet. Zwischen den beiden Dichtelementen 3 ist ein sogenannter Prüfabschnitt definiert.
In dem Stab 2 ist eine Fluidöffnung 5 ausgebildet. Über diese Fluidöffnung 5 kann bei der Durchführung der Prüfung ein entsprechendes Fluid in den Prüfabschnitt zwischen die beiden Dichtelemente 3 eingeleitet oder von dort abgeführt werden.
Ferner weist zumindest eine der beiden Prüfvorrichtungen 1 Kontaktelemente 4 auf. Im gezeigten Beispiel befinden sich diese Kontaktelemente 4 zum elektrischen Kontaktieren der Brennstoffzellen 21 am äußeren Umfang der Dichtelemente 3.
Die beiden Prüfvorrichtungen 1 sind über einen Prüfsockel 9 mit festem Abstand zueinander positioniert.
4 zeigt die einzelne Prüfvorrichtung 1 im Detail. Rein schematisch ist dabei dargestellt, dass von der Fluidöffnung 5 eine Fluidleitung 6 nach außen führt. Insbesondere verläuft diese Fluidleitung 6 im Inneren des Stabes 2. Über die Fluidleitung 6 ist der Fluidaustausch mit dem Prüfabschnitt zwischen den beiden Dichtelementen 3 möglich.
Ferner zeigt die schematische Darstellung in 4, dass sich die Kontaktelemente 4 am elektrisch leitenden Umfang des Dichtelements 3 befinden. Dieser elektrisch leitende Umfang des Dichtelements 3 ist elektrisch leitend mit einer elektrischen Leitungen 7 verbunden. Die elektrische Leitung 7 führt, insbesondere durch den Stab 2 hindurch, nach außen.
4 zeigt ebenfalls rein schematisch eine Betätigungsvorrichtung 8. Die Betätigungsvorrichtung 8 ist über eine entsprechende Leitung oder mechanische Verbindung von außen betätigbar. Auch diese Leitung oder mechanische Verbindung verläuft durch den Stab 2.
Das einzelne Dichtelement 3 ist beispielsweise aufblasbar ausgestaltet. Dementsprechend führt insbesondere eine Druckleitung zur Betätigungsvorrichtung 8. Über die Betätigungsvorrichtung 8 kann der Druck zum Aufblasen zu den Dichtelementen 3 geführt werden. Alternativ hierzu ist es beispielsweise auch möglich, über die Betätigungsvorrichtung 8 das einzelne Dichtelement 3 radial zum Stab 2 mechanisch ein- und auszufahren.
Außerhalb der Medienleitung 25 befindet sich vorzugsweise zumindest ein Prüfgerät 10. Die elektrischen Leitungen 7 und/oder die Fluidleitung 6 und/oder die Leitungen oder mechanischen Verbindungen der Betätigungsvorrichtung 8 führen vorzugsweise zu diesem zumindest einen Prüfgerät 10.
Vorzugsweise ist das Prüfgerät 10 dazu ausgebildet, an die Kontaktelemente 4 eine entsprechende Spannung anzulegen und/oder ein gemessenes elektrisches Signal auszuwerten.
Vorzugsweise ist das Prüfgerät 10 dazu ausgebildet, um die Betätigungsvorrichtung 8 zu betätigen, um die Dichtelemente 3 in ihre dichtende Stellung zu bringen.
Vorzugsweise ist das Prüfgerät 10 dazu ausgebildet, um ein Fluid in den Prüfabschnitt zwischen die beiden Dichtelemente 3 zu leiten und/oder Druckänderungen oder Durchflussmengen des Fluides zu messen.
4 zeigt rein schematisch eine Erfassungseinheit 11 der Prüfvorrichtung 1. Die Erfassungseinheit 11 wird zusammen mit dem Stab 2 in die Medienleitung 25 eingeführt. Die Erfassungseinheit 11 kann sich insbesondere am Stab 2 oder an einem der Dichtelemente 3 befinden. Die Erfassungseinheit 11 ist beispielsweise eine Kamera. Mittels dieser Kamera kann überprüft werden, an welcher Position sich die Prüfvorrichtung 1, insbesondere die Dichtelemente 3, befinden.
3 und 4 zeigen eine Positionierung der Dichtelemente 3 auf dem Stab 2 mit einem Prüfabschnitt in dem sich lediglich eine Brennstoffzelle 21 bzw. ein Medienkanal 28 befindet. Es ist jedoch auch möglich, die beiden Dichtelemente 3 weiter voneinander zu beabstanden, sodass mit einem Vorgang mehrere der Brennstoffzellen 21 abgetrennt und überprüft werden.
5 zeigt eine vereinfachte Variante der Prüfvorrichtung 1. Bei dieser Prüfvorrichtung 1 befindet sich am Stab 2 nur ein Dichtelement 3 das in die Medienleitung 25 eingeführt wird. Die Medienleitung 25 wird an der Außenseite durch das andere Dichtelement 3 verschlossen. Dieses außenliegende Dichtelement 3 kann sich ebenfalls am Stab 2 befinden, wird jedoch nicht in die Medienleitung 25 eingeführt. Auch durch diese vereinfachte Ausführung ist es möglich, einzelne Brennstoffzellen 21 abzutrennen und zu überprüfen.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass der Stab 2 gleitbeweglich durch das außenliegende Dichtelement 3 geführt werden kann. Dadurch kann der Prüfabschnitt schrittweise um einzelne Brennstoffzellen 21 vergrößert oder verkleinert werden. Das außenliegende Dichtelement 3 verbleibt dabei an Ort und Stelle. Mit dem Stab 2 wird das innenliegende Dichtelement 3 bewegt.
Ferner zeigt 5, dass die Prüfvorrichtung 1 nur ein Kontaktelement 4 aufweist. Ein weiteres Kontaktelement 4 befindet sich an beliebiger Stelle des Brennstoffzellenstapels 20. Auch so ist eine Kurzschlussmessung an nur ausgewählten Brennstoffzellen 21 möglich.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Prüfvorrichtung
2: Stab
3: Dichtelement
4: Kontaktelement
5: Fluidöffnung
6: Fluidleitung
7: elektrische Leitungen
8: Betätigungsvorrichtung
9: Prüfsockel
10: Prüfgerät
11: Erfassungseinheit
20: Brennstoffzellenstapel
21: Brennstoffzellen
22: Endplatte
23: Isolatorplatte
24: Stromabnehmerplatte
25: Medienleitung
26: Medienöffnung
27: Dichtungslinie
28: Medienkanal
29: Stapelachse

Claims

Prüfvorrichtung (1) für einen Brennstoffzellenstapel (20), wobei der Brennstoffzellenstapel (20) mehrere entlang einer Stapelachse (29) gestapelte Brennstoffzellen (21) umfasst, die jeweils Medienöffnungen (26) in Form von Durchgangsausnehmungen aufweisen, und wobei im gestapelten Zustand entsprechende Medienöffnungen (26) zur Bildung von Medienleitungen (25) fluchten, wobei die Prüfvorrichtung (1) umfasst: • einen in eine Medienleitung (25) einführbaren Stab (2), und • zumindest ein am Stab (2) angeordnetes Dichtelement (3) zum Abdichten der Medienleitung (25), um zumindest eine Brennstoffzelle (21) des Brennstoffzellenstapels (20) von den restlichen Brennstoffzellen (21) zu trennen, und/oder • zumindest ein mit dem Stab (2) einführbares Kontaktelement (4) zum elektrischen Kontaktieren einer einzelnen Brennstoffzelle (21) innerhalb der Medienleitung (25).
Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, wobei am Stab (2) zumindest zwei beabstandete Dichtelemente (3) zum Abdichten der Medienleitung (25) angeordnet sind, um zumindest eine Brennstoffzelle (21) zwischen den beiden Dichtelementen (3) von den restlichen Brennstoffzellen (21) zu trennen.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die zumindest zwei Dichtelemente (3) mit dem Stab (2) in die Medienleitung (25) einführbar sind, um in der Medienleitung (25) die Medienleitung (25) abzudichten.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei am Stab (2) zwischen den beiden Dichtelementen (3) eine Fluidöffnung (5) ausgebildet ist und der Stab (2) eine mit der Fluidöffnung (5) verbundene Fluidleitung (6) umfasst, um ein Fluid in den Bereich der Medienleitung (25) zwischen den beiden Dichtelementen (3) zu führen oder von dem Bereich abzuführen.
Prüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei am Stab (2) zumindest drei beabstandete Dichtelemente (3) zum Abdichten der Medienleitung (25) angeordnet sind, um zumindest zwei Prüfabschnitte, jeweils mit zumindest einer abgetrennten Brennstoffzelle (21), zu bilden.
Prüfvorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, wobei am Stab (2) an jedem Prüfabschnitt eine Fluidöffnung (5) ausgebildet ist und der Stab (2) für jeden Prüfabschnitt eine mit der Fluidöffnung (5) verbundene Fluidleitung (6) umfasst.
Prüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dichtelement (3) zum Abdichten aufblasbar ist.
Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Dichtelement (3) über eine Mechanik radial zum Stab (2) ein- und ausfahrbar ist.
Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Dichtelement (3) zumindest eine elastische, ringförmige Dichtlippe umfasst, deren Größe und Form den Medienöffnungen (26) der Medienleitung (25) entsprechen.
Prüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend zumindest zwei beabstandete Kontaktelemente (4) zum gleichzeitigen Kontaktieren zweier Brennstoffzellen (21) in der Medienleitung (25).
Prüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kontaktelement (4) auf dem Dichtelement (3) angeordnet ist.
Prüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kontaktelement (4) ein Schleifkontakt ist, der beim Einführen des Stabes (2) an den Brennstoffzellen (21) schleift.
Prüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei am Stab (2) eine Erfassungseinheit (11), insbesondere ein Sensor oder eine Kamera, zum Erfassen der Position des Stabes (2) relativ zur einzelnen Brennstoffzelle (21) angeordnet ist.
Verfahren zum Prüfen eines Brennstoffzellenstapels (20), wobei der Brennstoffzellenstapel (20) mehrere entlang einer Stapelachse (29) gestapelte Brennstoffzellen (21) umfasst, die jeweils Medienöffnungen (26) in Form von Durchgangsausnehmungen aufweisen, und wobei im gestapelten Zustand entsprechende Medienöffnungen (26) zur Bildung von Medienleitungen (25) fluchten, wobei das Verfahren umfasst: • Einführen einer Prüfvorrichtung (1), vorzugsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in eine der Medienleitungen (25), • Abdichten der Medienleitung (25) mit der Prüfvorrichtung, um zumindest eine Brennstoffzelle (21) des Brennstoffzellenstapels (20) von den restlichen Brennstoffzellen (21) zu trennen und Beaufschlagen der zumindest einen abgetrennten Brennstoffzelle (21) mit einem Fluid zur Dichtigkeitsmessung, Durchflussmessung oder Druckabfallmessung, und/oder • elektrisches Kontaktieren einer einzelnen Brennstoffzelle (21) innerhalb der Medienleitung (25) mit der Prüfvorrichtung (1), elektrisches Kontaktieren des Brennstoffzellenstapels (20) an einer weiteren Stelle, und Durchführen einer Kurzschlussmessung zwischen den beiden Kontakten.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei zwei der Prüfvorrichtungen (1) in zwei Medienleitungen (25) eingeführt werden, wobei die beiden Medienleitungen (25) über Medienkanäle (28) verbunden sind, die in den Brennstoffzellen (21) senkrecht zur Stapelachse (29) verlaufen, und wobei mit beiden Prüfvorrichtungen (1) die gleiche zumindest eine Brennstoffzelle (21) des Brennstoffzellenstapels (20) von den restlichen Brennstoffzellen (21) abgetrennt wird.