DE102021208646A1

DE102021208646A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Stromdichteverteilung einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102021208646A1
Application number: DE102021208646.2A
Authority: DE
Inventors: Thilo Rzymann; Bernhard Polzinger; Thomas Fischer; Ulrich May; Karl-Heinz Traub; Andreas Raichle; Leni Onuseit; Bernd Berghaenel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-08-09
Filing date: 2021-08-09
Publication date: 2023-02-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Stromdichteverteilung einer Brennstoffzelle, insbesondere einer PEM-Brennstoffzelle, bei dem ein Spannungsabfall zwischen einer mit einem katalytischen Material (2) beschichteten Membran (1) und einem Stromkollektor (3) gemessen und aus dem Spannungsabfall die Stromdichte berechnet wird. Erfindungsgemäß wird die beschichtete Membran (1) mittels Leiterbahnen (4) elektrisch kontaktiert, die in einem Beschichtungsverfahren, insbesondere in einem Druckverfahren, auf die beschichtete Membran (1) und/oder auf eine an der beschichteten Membran (1) anliegende Gasdiffusionslage (5) aufgebracht worden sind.Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Messung der Stromdichteverteilung einer Brennstoffzelle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Stromdichteverteilung einer Brennstoffzelle, insbesondere einer PEM-Brennstoffzelle. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Wasserstoff kann in mobilen Anwendungen als Energiespeicher eingesetzt werden und stellt damit eine interessante Alternative zu Batterien dar. Gegenüber einer Batterie besitzt Wasserstoff den Vorteil, dass für die Herstellung weder umweltbelastende Rohstoffe, wie beispielsweise Lithium, noch giftige phosphor- oder fluorhaltige Leitsalze benötigt werden. Zudem wiegt ein mit Wasserstoff gefüllter Druckbehälter bei gleichem Energiegehalt nur ein Bruchteil einer vergleichbaren Batterie.
Zur Stromerzeugung wird Wasserstoff zusammen mit Luftsauerstoff in einer Brennstoffzelle zu Wasser (H₂O) oxidiert. Das Prinzip einer Brennstoffzelle entspricht dabei dem einer galvanischen Zelle, wobei die Gesamtreaktion durch einen Elektrolyten in zwei Teilreaktionen aufgeteilt wird. Die dabei freigesetzte Energie wird zu einem Großteil als elektrische Energie abgegeben.
Bei einer PEM-Brennstoffzelle bildet eine semipermeable Polymermembran den Elektrolyten aus. Diese ist durchlässig für Protonen, nicht aber für Elektronen. Zur Ausbildung von Elektroden ist die Membran beidseits katalytisch beschichtet. Die katalytisch beschichtete Membran bildet eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) aus. Die MEA wird beidseits jeweils von einer Gasdiffusionslage (GDL) eingefasst, deren Aufgabe darin besteht, das jeweilige Reaktionsgas gleichmäßig über die aktive Fläche der katalytisch beschichteten Membran zu verteilen sowie Strom zu leiten. Die Struktur der Gasdiffusionslagen ist in der Regel membranseitig verfeinert, so dass eine mikroporöse Schicht (MPL) ausgebildet wird. Auf die GDL folgt außenliegend jeweils ein Metallblech, das zur Ausbildung von Kanälen für das jeweilige Reaktionsgas eine entsprechende Prägung aufweist. Die außenliegenden Metallbelche zweier aufeinander liegender Brennstoffzellen bilden gemeinsam eine einen Hohlraum umschließende Bipolarplatte aus. Im Betrieb der Brennstoffzellen wird der Hohlraum mit einem Kühlmedium zum Abführen der bei dem elektrochemischen Prozess in den Brennstoffzellen anfallenden Wärme beaufschlagt.
Für die Optimierung von Brennstoffzellen, insbesondere hinsichtlich der Materialien, der Materialstärken, der Oberflächeneigenschaften und/oder der Kanalstrukturen, werden im Rahmen der Entwicklung Messungen durchgeführt, die insbesondere elektrische Informationen, wie beispielsweise die Stromdichteverteilung, liefern sollen. Derzeit wird die Stromdichteverteilung meist indirekt über lokale Spannungsmessungen an einer separaten segmentierten Messplatte mit bekanntem Messwiderstand bestimmt, die sich innerhalb der Brennstoffzelle an verschiedenen Stellen, häufig jedoch in Kontakt mit dem Metallblech bzw. der Bipolarplatte befinden kann. Die Auflösung dieser segmentierten Messplatten liegt meist im Bereich von 7 bis 10 mm und entspricht somit einer über mehrere Kanal- und Stegbereiche gemittelten Stromdichte.
Um die Stromdichte mit einer Kanal-Steg-Auflösung, das heißt im Sub-MillimeterBereich messen zu können, ist im Stand der Technik bereits vorgeschlagen worden, mit Hilfe eines Rahmens 10 µm dicke vergoldete Wolframdrähte in einem Abstand von etwa 200 µm zueinander zwischen der katalytischen Schicht und der mikroporösen Schicht anzuordnen, um einen Bereich von 14 mm x 9 mm vermessen zu können. Die Stromdichte wurde dabei aus dem Spannungsabfall zwischen den Wolframdrähten und einem hinter dem Metallblech bzw. der Bipolarplatte angeordneten Stromkollektor berechnet. Die Gasdiffusionslage und die Bipolarplatte dienten zu diesem Zweck als Shunt-Widerstand. Das Spannen der Wolframdrähte ist jedoch sehr aufwendig. Entsprechend kann nur eine vergleichsweise kleine Probengeometrie unter Testbedingungen betrieben werden. Wünschenswert wäre jedoch das Testen einer Original-Brennstoffzelle unter Feld- und/oder Grenzbedingungen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit deren Hilfe die Stromdichteverteilung einer Brennstoffzelle mit Kanal-Steg-Auflösung bei reduziertem Aufwand gemessen werden kann.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Messung der Stromdichteverteilung einer Brennstoffzelle, insbesondere einer PEM-Brennstoffzelle, wird ein Spannungsabfall zwischen einer mit einem katalytischen Material beschichteten Membran und einem Stromkollektor gemessen und aus dem Spannungsabfall die Stromdichte berechnet. Erfindungsgemäß wird die beschichtete Membran mittels Leiterbahnen elektrisch kontaktiert, die in einem Beschichtungsverfahren, insbesondere in einem Druckverfahren, auf die beschichtete Membran und/oder auf eine an der beschichteten Membran anliegende Gasdiffusionslage aufgebracht worden sind.
Die zur elektrischen Kontaktierung der beschichteten Membran in einem Beschichtungsverfahren, insbesondere in einem Druckverfahren, aufgebrachten Leiterbahnen ersetzen die aus dem Stand der Technik bekannten gespannten Drähte. Da die Leiterbahnen aufgebracht, insbesondere aufgedruckt werden, entfällt der zum Spannen der Drähte erforderliche Rahmen. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren sind daher der Testgeometrie keine Grenzen gesetzt. Insbesondere kann die Messung im Prüfstand direkt an der zu vermessenden Brennstoffzelle vorgenommen werden.
Die vorgeschlagenen Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung können zudem derart dimensioniert und angeordnet werden, dass eine Stromdichtemessung mit sub-Millimeter-Auflösung ermöglicht wird.
Zur Bestimmung der Stromdichte wird - analog dem eingangs zitierten Stand der Technik - der Spannungsabfall zwischen den Leiterbahnen und dem Stromkollektor gemessen.
Bevorzugt wird die elektrische Kontaktierung mittels Leiterbahnen hergestellt, die in mehreren Lagen aufgebracht, insbesondere aufgedruckt, worden sind. Die Herstellung erfolgt in diesem Fall in mehreren Beschichtungs- bzw. Druckvorgängen. Mit Hilfe der mehreren Lagen kann die Höhe der Leiterbahnen eingestellt werden.
Ferner bevorzugt wird die elektrische Kontaktierung mittels Leiterbahnen hergestellt, die aus mindestens einer ein Lösungsmittel und metallische Nanopartikel, beispielsweise Silber- oder Goldpartikel, enthaltenden Tinte hergestellt worden sind. Zum Aufbringen der Tinte eignen sich insbesondere ein Druckverfahren, wie beispielsweise das Inkjet-Druckverfahren. Alternativ können aber auch andere Drucktechnologien verwendet werden, beispielsweise digitale Drucktechnologien, Aerosol Jet-, LIFT- oder Rolle-zu-Rolle-Verfahren, beispielsweise Flexodruck-Verfahren. Die in dem Lösungsmittel enthalten metallischen Nanopartikel stellen die elektrische Leitfähigkeit der Leiterbahnen sicher. Da Silber- oder Goldpartikel eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit und zugleich eine hohe chemische Reaktionsträgheit aufweisen, erweisen sich diese als besonders vorteilhaft. Vorzugsweise ist die Tinte anschließend, das heißt nach dem Aufbringen, in einem Ofen bei 150-250°C versintert worden. Die Versinterung fördert die Vernetzung der in der Tinte enthaltenen metallischen Nanopartikel.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Stromkollektor auf der der Membran abgewandten Seite der Gasdiffusionslageangeordnet wird. Vorzugsweise wird zwischen dem Stromkollektor und der Gasdiffusionslage mindestens ein Metallblech einer Bipolarplatte angeordnet. Die Anordnung des Stromkollektors erfolgt demnach außenliegend, so dass in einfacher Weise der Spannungsabfall zur Berechnung der Stromdichte messbar ist.
Die darüber hinaus vorgeschlagene Vorrichtung zur Messung der Stromdichteverteilung einer Brennstoffzelle, insbesondere einer PEM-Brennstoffzelle, umfasst eine mit einem katalytischen Material beschichtete Membran, an der eine Gasdiffusionslage anliegt, sowie einen Stromkollektor, der auf der der Membran abgewandten Seite der Gasdiffusionslage angeordnet ist, wobei vorzugsweise zwischen dem Stromkollektor und der Gasdiffusionslage mindestens ein Metallblech einer Bipolarplatte angeordnet ist. Erfindungsgemäß sind zur elektrischen Kontaktierung der beschichteten Membran Leiterbahnen auf die beschichtete Membran und/oder die Gasdiffusionslage gedruckt.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht die Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens. Insbesondere ermöglicht sie eine besonders einfache elektrische Kontaktierung der beschichteten Membran, da aufgedruckte Leiterbahnen anstelle gespannter Drähte verwendet werden. Mit Wegfall der Drähte entfällt auch der Rahmen zum Spannen der Drähte, der bislang die laterale Ausdehnung der Testgeometrie auf mehrere Millimeter begrenzte. Die Messung kann somit ohne Begrenzung der Testgeometrie in einem Prüfstand an der Brennstoffzelle selbst vorgenommen werden.
Bevorzugt sind die Leiterbahnen mehrlagig ausgebildet. Über die mehreren Lagen kann die Höhe der Leiterbahnen eingestellt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Leiterbahnen eine Höhe von 0,5-1,5 µm, vorzugsweise 0,7-1,2 µm, weiterhin vorzugsweise von etwa 1 µm, auf.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Leiterbahnen eine Breite von 25-75 µm, vorzugsweise von 40-60 µm, weiterhin vorzugsweise von etwa 50 µm, aufweisen. Die Leiterbahnen sind somit ausreichend schmal gehalten, um Abstände zwischen den Leiterbahnen zu realisieren, die eine Kanal-Steg-Auflösung bzw. eine sub-Millimeter-Auflösung ermöglichen.
Bevorzugt sind die Leiterbahnen aus einer ein Lösungsmittel und metallische Nanopartikel, beispielsweise Silber- oder Goldpartikel, enthaltenden Tinte hergestellt. Eine derartige Tinte kann in einfacher Weise ein- oder mehrlagig auf die beschichtete Membran und/oder die Gasdiffusionslage aufgedruckt werden. Da Silber- oder Goldpartikel eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit sowie eine hohe chemische Reaktionsträgheit aufweisen, werden diese bevorzugt eingesetzt. Die Tinte ist vorzugsweise nach dem Aufdrucken in einem Ofen versintert worden. Durch die Versinterung wird die Vernetzung der Nanopartikel gefördert. Vorzugsweise wird die Versinterung im Ofen bei 150-250°C durchgeführt. Die hohe Temperatur beim Sintern führt zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit der aus der Tinte hergestellten Leiterbahnen.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Stromdichteverteilung einer Bren nstoffzel le.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Die dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Stromdichteverteilung einer Brennstoffzelle, insbesondere einer PEM-Brennstoffzelle, umfasst eine Membran 1, die mit einem katalytischen Material 2 beschichtet ist. Zur elektrischen Kontaktierung der Membran 1 sind auf dem katalytischen Material 2 Leiterbahnen 4 ausgebildet. Mit Hilfe der Leiterbahnen 4 sowie einem außenliegenden plattenförmigen Stromkollektor 3 wird ein Spannungsabfall gemessen, aus dem sich die Stromdichte berechnen lässt.
An der Membran 1 Gasdiffusionslage 5 die zur Ausbildung einer mikroporösen Schicht 8 membranseitig eine verfeinerte aufweist. Alternativ oder ergänzend zu den auf der Membran 1 angeordneten Leiterbahnen 4 kann auch die Gasdiffusionslage 5, insbesondere die mikroporöse Schicht 8 mit Leiterbahnen 4 versehen sein, um die Membran 1 elektrisch zu kontaktieren (nicht dargestellt).
Auf die Gasdiffusionslage 5 folgen vorliegend 2 Metallbleche 6, die gemeinsam eine Bipolarplatte 7 ausbilden. An dem außenliegenden Metallblech 6 liegt der plattenförmige Stromkollektor 3 an.
Die in der Figur dargestellten Leiterbahnen 4 sind in einem Beschichtungs-, insbesondere Druckverfahren, hergestellt worden. Zur Herstellung der Leiterbahnen 4 wurde eine ein Lösungsmittel und metallische Nanopartikel enthaltende Tinte auf die beschichtete Membran 1 aufgebrachtes, insbesondere aufgedruckt, und anschließend versintert, um die Vernetzung der metallischen Nanopartikel zu fördern.
Um eine Messung der Stromdichteverteilung mit einer Kanal-Steg-Auflösung zu ermöglichen, verlaufen die Leiterbahnen 4 parallel zu Kanälen 9 und Stegen 10 der Metallbleche 6. Ferner ist der Abstand der Leiterbahnen 4 zueinander kleiner als der Achsabstand zweier Kanäle 9 bzw. zweier Stege 10 gewählt. Vorzugsweise beträgt der Abstand der Leiterbahnen 4 zueinander die Hälfte des Achsabstands zweier Kanäle 9 bzw. zweier Stege 10.

Claims

Verfahren zur Messung der Stromdichteverteilung einer Brennstoffzelle, insbesondere einer PEM-Brennstoffzelle, bei dem ein Spannungsabfall zwischen einer mit einem katalytischen Material (2) beschichteten Membran (1) und einem Stromkollektor (3) gemessen und aus dem Spannungsabfall die Stromdichte berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichtete Membran (1) mittels Leiterbahnen (4) elektrisch kontaktiert wird, die in einem Beschichtungsverfahren, insbesondere in einem Druckverfahren, auf die beschichtete Membran (1) und/oder auf eine an der beschichteten Membran (1) anliegende Gasdiffusionslage (5) aufgebracht worden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktierung mittels Leiterbahnen (4) hergestellt wird, die in mehreren Lagen aufgebracht, insbesondere aufgedruckt, worden sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktierung mittels Leiterbahnen (4) hergestellt wird, die aus mindestens einer ein Lösungsmittel und metallische Nanopartikel, beispielsweise Silber- oder Goldpartikel, enthaltenden Tinte hergestellt worden sind, die vorzugsweise anschließend in einem Ofen bei 150-250°C versintert worden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkollektor (3) auf der der Membran (1) abgewandten Seite der Gasdiffusionslage (5) angeordnet wird, wobei vorzugsweise zwischen dem Stromkollektor (3) und der Gasdiffusionslage (5) mindestens ein Metallblech (6) einer Bipolarplatte (7) angeordnet wird.
Vorrichtung zur Messung der Stromdichteverteilung einer Brennstoffzelle, insbesondere einer PEM-Brennstoffzelle, umfassend eine mit einem katalytischen Material (2) beschichtete Membran (1), an der eine Gasdiffusionslage (5) anliegt, sowie einen Stromkollektor (3), der auf der der Membran (1) abgewandten Seite der Gasdiffusionslage (5) angeordnet ist, wobei vorzugsweise zwischen dem Stromkollektor (3) und der Gasdiffusionslage (5) mindestens ein Metallblech (6) einer Bipolarplatte (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur elektrischen Kontaktierung der beschichteten Membran (1) Leiterbahnen (4) auf die beschichtete Membran (1) und/oder die Gasdiffusionslage (3) gedruckt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (4) mehrlagig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (4) eine Höhe von 0,5-1,5 µm, vorzugsweise 0,7-1,2 µm, weiterhin vorzugsweise von etwa 1 µm, aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (4) eine Breite von 25-75 µm, vorzugsweise von 40-60 µm, weiterhin vorzugsweise von etwa 50 µm, aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (4) aus einer ein Lösungsmittel und metallische Nanopartikel, beispielsweise Silber- oder Goldpartikel, enthaltenden Tinte hergestellt sind, die vorzugsweise nach dem Aufdrucken in einem Ofen versintert worden ist.