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Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Vorrichtung zur Charakterisierung eines ionenpermeablen Separators einer Brennstoffzelle.
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Vorrichtungen zur Charakterisierung eines ionenpermeablen Separators als solche sind bekannt. Sie helfen bei der Erfassung und Erklärung von Degradationsvorgängen in Brennstoffzellen. Präzise Vorhersagen über die Strom- bzw. Spannungsverteilung über den ionenpermeablen Separator sind nicht oder nur schwer möglich.
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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. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, eine Vorrichtung bereitzustellen, mittels der ein ionenpermeabler Separator einer Brennstoffzelle besser charakterisierbar ist. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Vorrichtung zur Charakterisierung eines ionenselektiven Separators einer Brennstoffzelle.
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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.
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Eine Brennstoffzelle, umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator (die Begriffe werden nachfolgend synonym verwendet) getrennt sind.
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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.
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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, lonomer-Widerstände), Ladungsdurchtrittswiderstände, Stofftransportwiderstände, Diffusionswiderstände, Massenaktivitäten (MA), elektrochemisch aktive Oberfläche (ECSA), elektrochemische Doppelschichtkapazität, Diffusionskapazität, Grenzstromdichte, Diffusionsrate, Wasserstoffdurchtrittsstromdichte und/oder Anpresskraft.
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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;
- - die elektrische Spannung; und/oder
- - die Impedanz.
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Ein für eine solche Größe repräsentativer Wert ist beispielsweise eine elektrische Größe, die der Sensor aufgenommen hat, und die direkt mit der Temperatur, Impedanz, etc. korreliert.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge) 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 (z.B. Wasserstoff) und Oxidationsmittel (z.B. Luft, Sauerstoff und Peroxide) in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert.
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Die Vorrichtung umfasst mindestens ein Flussfeld, mindestens zwei Stromabnehmer und mindestens eine Zwischenschicht. Das Flussfeld ist eingerichtet, mindestens ein Medium für die elektrochemische Reaktion an den Separator heranzuführen. Das Flussfeld kann mehrere Flussfeldsegmente umfassen. Mehrere oder alle benachbarten Flussfeldsegmente sind jeweils durch einen Flussfeldisolator voneinander getrennt. Das Flussfeld bzw. die Flussfeldsegmente können als Monopolarplatten ausgebildet sein. Die eine Monopolarplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator die Anode aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators angeordnete weitere Monopolarplatte bildet indes zusammen mit dem inonenselektiven Separator die Kathode aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff bzw. für Oxidationsmittel vorgesehen. Die Flussfeldisolatoren können aus jedem geeigneten Isolationsmaterial ausgebildet werden, dass eingerichtet ist, einen elektrischen Strom zwischen benachbarten Flussfeldsegmenten zu unterbinden.
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Zwischen den ionenselektiven Separatoren und den Monopolarplatten können noch sogenannte Gasdiffusionsschichten bzw. Gasdiffusionslagen (GDL) vorgesehen sein.
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Die Vorrichtung umfasst mindestens eine Zwischenschicht, die zwischen dem Flussfeld und einem der Stromabnehmer angeordnet ist. Die Zwischenschicht umfasst mehrere Zwischenschichtsegmente, wobei mehrere oder sogar alle benachbarte(n) Zwischenschichtsegmente jeweils durch einen Zwischenschichtisolator voneinander getrennt sind. Die Zwischenschichtisolatoren können aus jedem geeigneten Isolationsmaterial ausgebildet werden, dass eingerichtet ist, einen elektrischen Strom zwischen benachbarten Zwischenschichtsegmenten zu unterbinden.
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Die Flussfeldsegmente sind zweckmäßig eingerichtet, korrespondierende Zwischenschichtsegmente elektrisch zu kontaktieren. Das Flussfeld und die Zwischenschicht können derart ausgebildet sein, dass benachbarte Flussfeldsegmente nur über einen der Stromabnehmer elektrisch miteinander verbunden sind. Der elektrische Widerstand von den Zwischenschichtsegmenten kann um den Faktor 2 oder um den Faktor 3 oder um den Faktor 5 größer sein als der elektrische Widerstand vom jeweils korrespondierenden Flussfeldsegment. Die Flussfeldisolatoren und die Zwischenschichtisolator können übereinander und miteinander fluchtend angeordnet sein. Das Flussfeld und/oder die Zwischenschicht können aus Grafit bzw. Kohlenstoff hergestellt sein. Alternativ können auch andere leitfähige Materialien Anwendung finden.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung, und
- 2 eine schematisches Ersatzschaltbild der Messvorrichtung.
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Gemäß der Ausgestaltung der 1 umfasst die Vorrichtung zwei Stromabnehmer 122, 124, zwischen denen ein ionenpermeabler Separator 100 angeordnet ist. Zwischen dem ionenpermeablen Separator 100 und den Stromabnehmern 122, 124 sind hier auf beiden Seiten des Separators 100 jeweils ein Flussfeld 300 und eine Zwischenschicht 200 angeordnet. Gleichsam ist vorstellbar, dass eine Seite konventionell ausgebildet ist, d.h. ohne Zwischenschicht 200 und/oder ohne eine segmentierte Struktur. An einer Seite des Separators 100 bildet sich die Anode aus und auf der anderen Seite des Separators 100 bildet sich die Kathode aus. Die Stromabnehmer 122, 124 können beispielsweise aus goldbeschichtetes Kupfer hergestellt sein. Die Flussfelder 300 können zweckmäßig aus Grafit bzw. Kohlenstoff hergestellt sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Zwischenschicht aus Grafit bzw. Kohlenstoff hergestellt sein. Zweckmäßig kann die Zwischenschicht um den Faktor 2 oder den Faktor 3 oder um den Faktor 5 dicker sein als das Flussfeld. Seitlich sind hier die Flussfelder 300 über Dichtungen 110 gegenüber der Umgebung abgedichtet. Zwischen den Dichtungen 110 sind hier auf beiden Seiten des ionenpermeablen Separators 100 jeweils 5 Flussfeldsegmente 312, 314 angeordnet, die hier das Flussfeld 300 ausbilden. Jedes Flussfeldsegment 312, 314 ist hier als Monopolarplatte ausgebildet, in dem jeweils zurückversetzte Strömungskanäle bzw. Gaskanäle vorgesehen sind. Durch diese Kanäle strömen im Betrieb die Medien, i.d.R. Brennstoff (z.B. Wasserstoff) bzw. Oxidationsmittel (z.B. Luft bzw. Sauerstoff). Die Oberkanten der Kanäle bilden die Auflageflächen der Flussfeldsegmente 312, 314, mit der in der Einbaulage die Monopolarplatte an einer Seite des ionenpermeablen Separators 100 anliegt. Der ionenpermeable Separator 100 kann eine Membran-Elektroden-Einheit, auch MEA genannt, sein. Die nicht dem ionenpermeablen Separator 100 zugewandte Seite vom Flussfeld 300 ist elektrisch leitend mit der Zwischenschicht 200 verbunden. Dazu liegt diese Seite zweckmäßig an einer Oberfläche der Zwischenschicht 200 an. Gleichsam ist vorstellbar, dass eine leitfähige Mittelschicht vorgesehen ist. Die nicht am Flussfeld 300 anliegende Seite der Zwischenschicht 200 liegt hier direkt an dem Stromabnehmer 200 an. Gleichsam ist vorstellbar, dass auch hier wiederum eine Mittelschicht vorgesehen ist, die elektrisch leitend ausgebildet ist. Sowohl im Flussfeld 300 als auch in der Zwischenschicht 200 sind hier Isolatorelemente vorgesehen. Die Isolatorelemente vom Flussfeld 300 werden als Flussfeldisolatoren 322, 324 bezeichnet, wohingegen die Isolatorelemente von der Zwischenschicht als Zwischenschichtisolatoren 222, 224 bezeichnet werden. Die Isolatorelemente sind hier derart angeordnet, dass sie einen elektrischen Stromfluss zwischen benachbarten Segmenten unterbinden. Vorteilhaft können somit Kreisströme unterbunden werden. Mithin werden also benachbarte Flussfeldsegmente 312, 314 durch die Flussfeldisolatoren 212, 214 elektrisch isoliert und benachbarte Zwischenschichtsegmente 212, 214 werden durch die Zwischenschichtisolatoren 222, 224 elektrisch isoliert. Das Flussfeld 300, die Zwischenschicht 200 und der ionenselektive Separator 100 sind miteinander verspannt durch eine nicht gezeigte Verspanneinrichtung. Das Flussfeld 300 und die Zwischenschicht 200 sind zweckmäßig als Platten ausgebildet.
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Das so gestaltete Zelldesign erlaubt es, die Spannung in jedem Segment mit größerer Genauigkeit zu bestimmen, ohne das System nennenswert komplexer im Aufbau bzw. in der Verschaltung / Datengenerierung zu machen. Vorteilhaft ermöglicht es die hier offenbarte segmentierte Zwischenschicht, zwischen Kreuzströme (cross-currents) als Ergebnis der höheren elektrischen Widerstände (wg. erhöhter Schichtdicke) zu differenzieren. Insbesondere lassen sich die Segmentspannung USeg,i und der Segmentstrom I
Seg,i anhand der folgenden Formeln basierend auf dem Ersatzschaltbild der
2 bestimmen:
wobei
Uca(i) die kathodenseitige Spannung vom Segment i ist,
UAa(i) die anodenseitige Spannung vom Segment i ist,
RSIP_t (i) der Durchgangswiderstand vom Flussfeldsegment i ist,
RBlP_i (i) der Querwiderstand (en: plane resistance) vom Flussfeldsegment i ist,
RTRS_t (i) der Durchgangswiderstand vom Zwischenschichtsegment i ist, und
RTRS_i (i) der Querwiderstand vom Zwischenschichtsegment i ist.
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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.
