DE10213478A1

DE10213478A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung oder Vorgabe der Stromdichteverteilung und des ortsaufgelösten Stoffumsatzes bei elektrochemischen Reaktionen

Info

Publication number: DE10213478A1
Application number: DE10213478A
Authority: DE
Inventors: Ralf Kraume
Original assignee: Ralf Kraume
Current assignee: KRAUME, RALF, 82544 EGLING, DE
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2003-12-24

Abstract

Die gleichmäßige Verteilung der elektrischen Stromdichte beziehungsweise des Stoffumsatzes in einer elektrochemischen Zelle ist wichtig für einen hohen Wirkungsgrad. Die Verfahren zur Messung dieser Verteilung haben nur eine grobe Auflösung und/oder einen hohen Aufwand und/oder Rückwirkungen auf die elektrochemische Zelle. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Stromdichteverteilung, beziehungsweise den ortaufgelösten Stoffumsatz, bei elektrochemischen Reaktionen zu bestimmen oder vorzugeben. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Elektrode aus einzelnen gegeneinander isolierten Elektroden aufgebaut wird, die so klein sind, dass sie mit integrierten Schaltungen, die als Konstantspannungsquellen oder Konstantstromquellen geschaltet sind, direkt betrieben werden können. Von den einzelnen Konstantspannungsquellen werden Spannungen abgegriffen, die proportional sind zu den Strömen, die sie liefern. Bei den Konstantstromquellen wird die Ausgangsspannung abgegriffen. Diese Spannungen werden über Schalter auf eine oder mehrere Messvorrichtungen geschaltet und ausgewertet. DOLLAR A Um das Verfahren zu realisieren, gibt es mehrere Möglichkeiten mit Hilfe von Multilayerplatinen.

Description

Problem

Die gleichmäßige Verteilung der elektrischen Stromdichte beziehungsweise des Stoffumsatzes in einer elektrochemischen Zelle, ist wichtig für einen hohen Wirkungsgrad, einen zuverlässigen Betrieb und eine hohe Lebensdauer. Die Kenntnis dieser Verteilung ermöglicht nun viele Einsichten in den Betrieb einer elektrochemischen Zelle. Dies sind zum Beispiel die Versorgung mit Elektrolyt, Betriebsstoffen und Kühlmittel, der Befeuchtungszustand einer Membran, lokale Massentransporteffekte, ungleichmäßig gefertigte Membran-Elektroden- Einheiten und lokal variierende Kontaktwiderstände. So wird eine Optimierung und ein optimaler Betrieb der elektrochemischen Zelle möglich.

Stand der Technik

In der Literatur und in Patenten sind nun einige Verfahren zur Vermessung der Stromdichteverteilung beziehungsweise des Stoffumsatzes beschrieben worden.
In der Offenlegungsschrift DE 100 03 584 A1 wird ein Verfahren beschrieben, welches die Stromdichteverteilung in einer Brennstoffzelle über die Vermessung des äußeren Magnetfeldes bestimmt.
In der Patentschrift DE 197 50 738 C1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem auf einer Trägerplatte Strom-Messzellen montiert werden. Über den Strom durch die Messzelle kann der Stoffumsatz in der an die jeweilige Messzelle anschließenden Membran-Elektroden- Einheit bestimmt werden.
In "S. J. C. Cleghorn, C. R. Derouin, M. S. Wilson, S. Gottesfeld, A printed circuit board approach to measuring current distribution in a fuel cell, Journal of Electrochemistry, Vol. 28, 1998, Seiten 663-672" ist eine segmentierte Anode für eine Brennstoffzelle vorgestellt worden. Sie ist aus einer durchkontaktierten gedruckten Leiterplatte gefertigt. Ein Segment wird mit einer ersten Konstantspannungsquelle verbunden und der durch das Segment fließende Strom gemessen. Die übrigen Segmente werden mit einer zweiten Konstantspannungsquelle verbunden. Durch Umschalten zwischen den Segmenten kann so der Strom durch alle Segmente gemessen werden.
In "Jürgen Stumper, Stephen A. Campbell, David P. Wilkinson, Mark C. Johnson and Mike Davis, In-situ methods for the determination of current distribution in PEM fuel cells, Electrochimica Acta, Vol. 43, No. 24, 1998, Seiten 3773-3783" werden drei Methoden beschrieben, die Auskunft über die Stromdichteverteilung liefern. Dies sind die Partielle Membran-Elektrodeneinheit-Methode, die Unterzellenmethode und die Stromabbildungstechnik. Bei der Partiellen Membran-Elektrodeneinheit-Methode wird nur ein Teil der Membran mit Katalysator beschichtet. Durch Messungen an mit unterschiedlichen Teilen beschichteten Membranen kann so auf die Stromdichteverteilung geschlossen werden. Bei der Unterzellenmethode sind einige Bereiche der Membran-Elektrodeneinheit und passend dazu auch in der Anode und Kathode vom Rest der Zelle isoliert und werden separat angesteuert. Bei der Stromabbildungstechnik werden zwischen die Strömungsfeldplatte und die Ableitplatte Widerstände geschaltet. Der Spannungsabfall an diesen Widerständen ist ein Maß für den Strom.

Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die ortsabhängige Stromdichteverteilung beziehungsweise den ortsabhängigen Stoffumsatz in einer elektrochemischen Zelle mit hoher Auflösung zu bestimmen oder vorzugeben.

Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Elektrode aus einzelnen gegeneinander isolierten Segmenten aufgebaut wird, die so klein sind, dass sie mit Integrierten Schaltungen, ohne spezielle Leistungsendstufen, die als Konstantspannungsquellen oder Konstantstromquellen geschaltet sind, direkt versorgt werden können. Als Integrierte Schaltungen kommen zum Beispiel Operationsverstärker zum Einsatz. Von den einzelnen Konstantspannungsquellen wird eine Spannung abgegriffen, die proportional zu dem Strom ist, den sie liefen. Bei den Konstantstromquellen wird die Ausgangsspannung abgegriffen. Diese Spannungen werden über Analogschalter auf eine oder mehrere Messvorrichtungen geschaltet. Die einzelnen Segmente der Elektrode und die Verbindung der Segmente mit den Integrierten Schaltungen wird mit Multilayerplatinen realisiert.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Messung oder Vorgabe der Stromdichteverteilung oder des ortsaufgelösten Stoffumsatzes mit hoher Auflösung.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kommt es nicht zu Rückwirkungen auf die elektrochemische Reaktion wie bei der unter dem Stand der Technik beschriebenen Stromabbildungstechnik durch einen Spannungsabfall an einem Widerstand, der mit steigendem Strom steigt.
Da für die erfindungsgemäßen Vorrichtungen Multilayerplatinen und Integrierte Schaltungen verwendet werden, ist der Aufwand für Verkabelung und Auswertevorrichtung gering und die Vorrichtungen sind einfach und mit geringem Aufwand herzustellen.
Im Gegensatz zu dem in dem unter dem Stand der Technik erwähnten Artikel von Cleghorn, Derouin, Wilson und Gottesfeld beschriebenen Verfahren sind keine Schalter notwendig, über die die Ströme von der Elektrode oder zu der Elektrode fließen. Es sind lediglich Schalter notwendig, wenn mehrere Messsignale auf eine Auswertevorrichtung geschaltet werden sollen. Wenn die Auswertevorrichtung einen hohen Eingangswiderstand hat, reichen hier einfache Analogschalter ohne besondere Anforderungen an den Einschaltwiderstand aus.

Ausführungsbeschreibung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine mit einem Operationsverstärker aufgebaute Konstantspannungsquelle,
Fig. 2 den Aufbau der Schaltung,
Fig. 3 die Draufsicht auf einen Ausschnitt der Vorrichtung mit 4.4 Elektroden,
Fig. 4 die Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Platine für die Vorrichtung aus Fig. 3,
Fig. 5 den in Fig. 3 eingezeichneten Schnitt A-A durch die Vorrichtung,
Fig. 6 die Draufsicht auf einen Ausschnitt der Vorrichtung mit 4.4 Elektroden ausgeführt als komplett Durchkontaktierte Multilayerplatine,
Fig. 7 den in Fig. 6 eingezeichneten Schnitt A-A,
Fig. 8 die Draufsicht auf einen Ausschnitt der Vorrichtung mit 6.4 Elektroden ausgeführt als Multilayerplatine mit Sacklöchern und
Fig. 9 den in Fig. 8 eingezeichneten Schnitt A-A.
Die Elektrode einer elektrochemischen Zelle wird in einzelne gegeneinander isolierte Segmente unterteilt. Die einzelnen Segmente sind so klein, dass Operationsverstärker, die als Integrierte Schaltungen, und ohne spezielle Endstufe, ausgeführt sind, als Stromquelle oder Stromsenke auftreten können. Wenn zum Beispiel eine Brennstoffzelle eine maximale Stromdichte von 1 A/cm² liefert, ist bei einer Elektrode mit Segmenten mit einer Flächen von 1 mm² pro Segment ein Strom von 10 mA notwendig. Dieser kann zum Beispiel von einem Operationsverstärker des integrierten vierfach Operationsverstärkers LM324, zum Beispiel von Texas Instruments, geliefert werden. Wenn höhere Ströme erforderlich sind, kann zum Beispiel der zweifach Operationsverstärker L272, zum Beispiel von Fairchild Semiconductor, der einen Ausgangsstrom bis zu 700 mA liefern kann, verwendet werden.
Die Operationsverstärker werden als Konstantspannungsquellen oder Konstantstromquellen geschaltet. Die Fig. 1 zeigt die Grundschaltung einer Konstantspannungsquelle. Ein Segmente 101 der Elektrode wird über einen Widerstand 104 mit dem ohmschen Widerstand R mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 105 und dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden. Die konstante Spannung an dem Segment der Elektrode wird über eine Referenzspannung Urei, die am Anschluss 103 angelegt wird, eingestellt. Die Spannung U am Anschluss 102, also am Ausgang des Operationsverstärkers, ist dann nach der Formel I = (U-Uref)/R ein Maß für den Strom I, der in das oder aus dem Segment der Elektrode fließt. Fig. 2 zeigt die Zusammenschaltung von Konstantspannungsquellen nach Fig. 1 mit der Auswertevorrichtung 207. Die Anschlüsse 102 mehrerer Konstantspannungsquellen nach Fig. 1, die die Segmente 101 der Elektrode versorgen, werden wie in Fig. 2 gezeigt über einen Multiplexer 206 nacheinander auf eine Auswertevorrichtung 207 geschaltet. Als Multiplexer können zum Beispiel einzelne Analogschalter eingesetzt werden. Als Auswertevorrichtung kann zum Beispiel ein Analog-Digital-Wandler verwendet werden. Wenn alle Anschlüsse 203 mit der gleichen Referenzspannung verbunden werden, haben alle Segmente der Elektrode das gleiche Potential. Die in einzelne Segmente 101 unterteilte Elektrode wird als Anode oder Kathode in einer elektrochemischen Zelle eingesetzt.

Beispiele

Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung, um das erfindungsgemäße Verfahren zu realisieren. In Fig. 4 ist die Draufsicht auf eine gedruckte Leiterplatte gezeigt. Das Basismaterial 401 ist vorzugsweise flexibel und trägt die Leiterbahnen 402. Die Leiterbahnen führen auf der einen Seite 405, 505 zu den Konstantspannungsquellen oder Konstantstromquellen. Wie in Fig. 5 gezeigt, sind die Leiterplatten an dem anderen Ende ein Stück 504 zu einer Multilayerplatine zusammengeklebt. In der Draufsicht Fig. 3 sind die durch die Enden der Leiterbahnen gebildeten Segmente 302 der Elektrode zu sehen. Die einzelnen Leiterplatten aus dem Basismaterial 301 sind mit Kleber 304 zusammengeklebt. Wenn die Vorrichtung in einer Membran-Brennstoffzelle eingesetzt wird, muss Brennstoff oder Oxidationsmittel an die auf den Segmenten 302 der Elektrodenfläche liegende Gasdiffusionsschicht oder katalytische Schicht zugeführt werden und Reaktionsprodukte müssen abgeführt werden. Dies geschieht durch die Kanäle 303, 403.
Eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung, um das erfindungsgemäße Verfahren zu realisieren, kann mit einer Multilayerplatine aufgebaut werden. Fig. 6 zeigt die Draufsicht auf einen Ausschnitt der Vorrichtung mit 4.4 Segmenten und Fig. 7 zeigt den in Fig. 6 eingezeichneten Schnitt A-A. Hierbei befinden sich die Segmente 602, 702 der Elektrode auf einem Basismaterial 601, 701 und sind mit Durchkontaktierungen 605, 705 mit Leiterbahnen 606, 706 auf weiteren Basismaterialien 701 verbunden. Die einzelnen Schichten Basismaterial sind mit Kleber 704 verklebt. Wenn die Vorrichtung in einer Membran-Brennstoffzelle eingesetzt wird, muss Brennstoff oder Oxidationsmittel an die auf den Segmenten 602 liegende Gasdiffusionsschicht oder katalytische Schicht zugeführt werden, und Reaktionsprodukte müssen abgeführt werden. Dies geschieht durch die Kanäle 603, 703 und/oder die Durchkontaktierungen 705.
Die beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung kann so abgewandelt werden, dass die Durchkontaktierungen nicht mit durchgehenden Bohrungen ausgeführt werden, sondern mit Sacklöchern die bis auf die jeweilige Leiterbahnschicht reichen. Dies zeigen Fig. 8 und Fig. 9. Die Beschriftungen 801 bis 806 in Fig. 8 entsprechen den Beschriftungen 601 bis 606 in Fig. 6 und die Beschriftungen 901 bis 906 in Fig. 9 entsprechen den Beschriftungen 701 bis 706 in Fig. 7. Der Vorteil ist, dass diese Vorrichtung bei gleicher Anzahl an Segmenten mit weniger Leiterbahnschichten realisiert werden kann.
Eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung, um das erfindungsgemäße Verfahren zu realisieren, basiert auf einer mehrlagigen Drahtspule mit gegeneinander isolierten Drähten. Die Elektrodenfläche wird hergestellt indem die Drahtspule aufgeschnitten wird. Die eine Seite der Schnittfläche dient als segmentierte Elektrode, die andere Seite wird aufgefächert und mit den Konstantspannungsquellen oder Konstantstromquellen verbunden.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Stromdichteverteilung oder des ortsaufgelösten Stoffumsatzes bei elektrochemischen Reaktionen, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektroden in gegeneinander isolierte Segmente aufgeteilt wird und jedes Segment mit einer eigenen für den Betrieb der elektrochemischen Reaktion vorgesehenen Stromquelle oder Stromsenke verbunden wird, die aus einer Integrierten Schaltung besteht, die als Konstantspannungsquelle geschaltet wird.

2. Verfahren zur Vorgabe der Stromdichteverteilung oder des ortsaufgelösten Stoffumsatzes bei elektrochemischen Reaktionen, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektroden in gegeneinander isolierte Segmente aufgeteilt wird und jedes Segment mit einer eigenen für den Betrieb der elektrochemischen Reaktion vorgesehenen Stromquelle oder Stromsenke verbunden wird, die aus einer Integrierten Schaltung besteht, die als Konstantstromquelle geschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Operationsverstärker als Integrierte Schaltungen verwendet werden.

4. Vorrichtung zur Messung der Stromdichteverteilung oder des ortsaufgelösten Stoffumsatzes bei elektrochemischen Reaktionen, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere flexible gedruckte Leiterplatten mit streifenförmigen Leitern so aufeinander gestapelt sind, dass die Leiterbahnen gegeneinander isoliert sind und auf der einen Seite so am Rand der Leiterplatte enden, dass sie beim Zusammenkleben der Leiterplatten die Segmente der Elektrode bilden und auf der anderen Seite mit Konstantspannungsquellen verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Konstantspannungsquellen mit auf den Leiterplatten befinden.

6. Vorrichtung zur Messung der Stromdichteverteilung oder des ortsaufgelösten Stofltmsatzes bei elektrochemischen Reaktionen, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen gegeneinander isolierten Segmente der Elektrode, Metallflächen auf einer Multilayerplatine sind und mit durchkontaktierten Bohrungen oder Sacklöchern mit Leiterbahnen in den einzelnen Lagen der Multilayerplatine verbunden sind, die herausgeführt sind und mit den Konstantspannungsquellen oder Konstantstromquellen verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Konstantspannungsquellen mit auf der Multilayerplatine befinden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff oder Oxidationsmittel oder Elektrolyt für die elektrochemische Reaktion durch Kanäle zwischen den Segmenten der Elektrode oder durch die Durchkontaktierungen zuzuführen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Elektrode anschließende elektrochemische Zelle nicht notwendigerweise homogen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, zur Vorgabe der Stromdichteverteilung oder des ortsaufgelösten Stoffumsatzes bei elektrochemischen Reaktionen, dadurch gekennzeichnet, dass Konstantstromquellen anstelle der Konstantspannungsquellen verwendet sind.