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Die Erfindung betrifft ein Test-Brennstoffzellen-Polplattenpaar, das eine erste Polplatte, die eine viereckige Grundfläche umfasst, in welcher wenigstens eine Einlassöffnung und wenigstens eine Auslassöffnung ausgebildet sind, eine zweite Polplatte, die eine viereckige Grundfläche umfasst, in welcher wenigstens eine Zuführöffnung und wenigstens eine Abführöffnung ausgebildet sind, aufweist, wobei die Grundfläche der ersten Polplatte eine Reaktionsseitenfläche und eine Rückseitenfläche umfasst und auf der Reaktionsseitenfläche der ersten Polplatte eine Kanalstruktur zur Verteilung eines Reaktionsgases ausgebildet ist und wobei die Grundfläche der zweiten Polplatte eine Reaktionsfläche und eine Rückseitenfläche umfasst und auf der Reaktionsseitenfläche der zweiten Polplatte eine Kanalstruktur zur Verteilung eines Reaktionsmittels ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Test-Brennstoffzellen-System.
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Damit eine erfolgreiche Überführung der Brennstoffzellentechnik aus dem Labor in die Serienproduktion gelingen kann, ist noch viel Forschungsarbeit zu leisten. Zu diesem Zweck sind Test-Brennstoffzellen für die Charakterisierung von zellinternen Komponenten für Brennstoffzellen bekannt, die sehr einfach aufgebaut sind. Die zellinternen Komponenten werden mit Hilfe von mechanisch steifen Endplatten und mittels Gewindebolzen unter Zuhilfenahme von Dichtungen verspannt. Zu den zellinternen Komponenten zählen zum Beispiel die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), welches die Zone ist, in welcher die elektrochemische Reaktion abläuft, sowie die Gasdiffusions-schichten (GDL), sowie Dichtungselemente oder Dichtmittel. Diese zellinternen Komponenten werden in der richtigen Reihenfolge geschichtet und mit einer Hardware zu einer Test-Brennstoffzelle zusammengebaut. Für den Test verschiedener zellinterner Komponenten ist ein solcher Zusammenbau zeit- und damit kostenaufwendig. Eine Lösung zur Zeitersparnis hat die Firma BalticFuelCells entwickelt, die eine einfach zu bedienende Testapparatur für zellinterne Komponenten einer Brennstoffzelle bereitstellt. Diese Testapparatur wurde konzipiert, um präzise und reproduzierbare Charakterisierungen von zellinternen Komponenten von Brennstoffzellen vornehmen zu können. Die Testapparatur ist zum Beispiel in der
EP 1 839 364 B1 beschrieben und besteht im Wesentlichen aus einem Druckrahmen und einer Auswechselbaren Messzelle. Der Druckrahmen wird zur Prüfung fest in eine vorhandene Teststandsumgebung integriert, wobei die auswechselbare Messzelle zur Charakterisierung von zellinternen Komponenten (zum Beispiel MEA, GDL etc.) auswechselbar ist. Die zellinternen Komponenten lassen sich mit wenigen Handgriffen in die Messzelle einlegen, die dann ohne Werkzeug verschlossen und direkt in den Druckrahmen eingesetzt wird. Es müssen keine Medienanschlüsse oder elektrische Verkabelungen getrennt werden und es ist auch kein Werkzeug notwendig, so dass die Tests wesentlich zeitsparender ablaufen. Bei den Tests ist der auf die aktive Zell-Fläche wirkende Anpressdruck sehr präzise einstellbar, was durch einen beweglichen Druckstempel erreicht wird, der Tests völlig unabhängig von den jeweiligen Dicken der zellinternen Komponenten und Dichtungen ermöglicht. Dieser Druckstempel wirkt über ein Halteelement auf eine an dem Halteelement angebrachte Polplatte ein, welche beweglich zu der anderen, ortsfest fixierten Polplatte gehalten ist.
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Von Nachteil bei dieser bekannten Testapparatur ist es, dass die Polplatten der Messzelle als Hardware betrachtet werden und die Kanalstruktur in das graphitische Material der Polplatten eingefräßt werden muss, wodurch jedoch nicht die Eigenschaften tiefgezogener Bleche, wie sie beispielsweise im automotiven Bereich verwendet werden, abgebildet werden können. Denn die Polplatten sind aus einem dickwandigen Vollmaterial ausgebildet und als graphitische Einleger mit Kanalstruktur in einen Rahmen der Messzelle integriert. In diese dickwandigen Polplatten sind die jeweiligen Flussfelder eingefräst, so dass die Polplatten immer als Monopolarplatten ausgebildet sind und diesbezüglich keine Flexibilität erlauben, um beispielsweise Bipolarplatten für die Messzelle abzubilden. Diese bekannte Testapparatur bietet folglich keine Möglichkeit, dünnwandige metallische Polplattenzu testen. Für Tests im Bereich von automobilen oder portablen Brennstoffzellensystemen stellt dies eine erhebliche Einschränkung dar, weil die Verwendung von dickwandigen Polplatten keine reale Brennstoffzelle im Sinne automotiver oder portabler Anwendungen abbildet.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Lösung zu schaffen, um auf konstruktiv einfache Weise und kostengünstig eine Möglichkeit bereitzustellen zusätzlich zu zellinternen Komponenten auch verschiedene Parameter (Flussfelder, Port-Geometrien, d.h. Zuführ- sowie Abführöffnungen, sowie das Material der Polplatten etc.) an Polplatten mit Hilfe der bekannten Testapparatur zu prüfen, ohne dabei in den Grundaufbau der Testapparatur eingreifen zu müssen.
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Bei einem Test-Brennstoffzellen-Polplattenpaar der Eingangs bezeichneten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die erste Polplatte wenigstens einen zum Spannungsabgriff dienenden Ansatz aufweist, der sich von einem Seitenrand der Grundfläche aus erstreckt, und dass die zweite Polplatte wenigstens einen zum Spannungsabgriff dienenden Steg aufweist, der sich von einem Seitenrand der Grundfläche aus erstreckt.
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Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß bei einem Test-Brennstoffzellen-System durch die Verwendung eines Test-Brennstoffzellen-Polplattenpaares nach einem der Ansprüche 1 bis 13 gelöst, wobei das System ferner ein Halteelement mit zumindest einer stufenförmig abgesetzten Auflagefläche, auf welcher die Rückseitenfläche der ersten Polplatte aufliegt, und Durchgangsöffnungen, die zu der wenigstens einen Einlassöffnung und der wenigstens einen Auslassöffnung korrespondierend ausgebildet sind, ein Fixierungselement mit einer Aufnahmefläche, auf welcher die zweite Polplatte aufliegend befestigt ist und welche Durchgangsöffnungen aufweist, die zu der wenigstens einen Zuführöffnung und der wenigstens einen Abführöffnung korrespondierend ausgebildet sind, aufweist, wobei zwischen der ersten Polplatte und der zweiten Polplatte zellinterne Komponenten angeordnet sind und wobei die erste Polplatte mit ihren Seitenkanten auf die abgesetzte Auflagefläche mit dieser eine formschlüssige Verbindung bildend aufgesteckt ist. Als zellinterne Komponenten sind beispielsweise die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), die Gasdiffusionsschichten (GDL) sowie Dichtungselemente oder Dichtmittel anzusehen. Gemäß der Erfindung sind die erste Polplatte und die zweite Polplatte jeweils dünnwandig nach Art einer Blechplatte ausgebildet. Im Sinne der Erfindung geht es dabei um solche Polplatten, die in einer Fläche ausgedehnt sind und in der Richtung senkrecht (normal) dazu eine deutlich geringere Ausdehnung haben. Folglich werden solche Polplatten als dünnwandig angesehen, deren Dicke weniger als ein Zehntel (1/10) der Länge beträgt.
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Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Durch die Erfindung werden ein Test-Brennstoffzellen-Polplattenpaar sowie ein Test-Brennstoffzellen-System zur Verfügung gestellt, welche sich durch eine funktionsgerechte Konstruktion auszeichnen und einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweisen. Insbesondere erlaubt die Erfindung die Integration metallischer und dünnwandiger, metallischer Polplatten und Bipolarplatten in eine Test-Brennstoffzelle für die bekannte Testapparatur. Die Erfindung lässt sich in die bekannte Testapparatur integrieren, ohne dass dazu eine Anpassung der Messsysteme oder ähnlichem notwendig ist. Ferner ermöglicht die Erfindung eine homogene Anpressung zwischen dem Flussfeld der jeweiligen Polplatte und der zugeordneten Gasdiffusionsschicht (GDL). Mit der Erfindung ist ferner die Abbildung einer repräsentativen aktiven Zellfläche von beispielsweise 25cm2 und die Implementierung von Schnittkanten (zum Beispiel Laserbeschnitt oder Stanzen) für die Portbereiche (Zu- und Abführöffnungen für das Reaktionsmedium) der Polplatten möglich. Darüber hinaus können durch die Erfindung flüssig aufgetragene Dichtungen (z.B. Dispenser, Siebdruck oder Spritzguss) alternativ zu O-Ring-Dichtungen eingesetzt werden, wobei auch Fügeverbindungen (Schweißnähte oder Klebeverbindungen) vorgesehen sein können.
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Um die erste Polplatte hinreichend genau in der Test-Brennstoffzelle zu positionieren, sieht die Erfindung in weiterer Ausgestaltung vor, dass die erste Polplatte an wenigstens zwei sich gegenüberliegenden Seitenrändern eine jeweilige Abkantung aufweist.
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Zur Erhöhung einer genauen Positionierung der ersten Polplatte in der Test-Brennstoffzelle in Bezug auf die zweite Polplatte ist in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass eine jeweilige Abkantung sich unter einem Winkel von 90° mit Bezug auf die Grundfläche erstreckt und von der Rückseitenfläche eine jeweilige Seitenkante bildend absteht.
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Die Erfindung sieht in weiterer Ausgestaltung vor, dass sich der wenigstens eine Ansatz der ersten Polplatte vom freien Ende der Abkantung aus und parallel zu der Grundfläche der ersten Polplatte erstreckt. Der Ansatz erstreckt sich folglich parallel zu der Ebene der Grundfläche und kann neben der Kontaktierung zur Spannungsmessung zusätzlich zur Abstützung der ersten Polplatte auf einem Halteelement der Testapparatur dienen. Bei der bekannten Testapparatur ist ein Federdraht oder ein Federkontaktstift zum Spannungsabgriff vorgesehen, welcher im eingebauten Zustand der erfindungsgemäßen Polplattenpaares an dem Ansatz anliegt und die Kontaktierung gewährleistet. Diese Kontaktierung eignet sich u.a. auch für eine Charakterisierung per elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS).
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Damit das Reaktionsgas der Reaktionsseitenfläche der ersten Polplatte sicher und kontrolliert zugeführt werden kann, sieht die Erfindung in weiterer Ausgestaltung vor, dass die erste Polplatte auf ihrer Rückseitenfläche jeweilige Dichtungselemente aufweist, die um einen jeweiligen Rand der Auslassöffnung und der Einlassöffnung herum angeordnet sind.
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Zur Sicherstellung eines Spannungsabgriffs an der ersten Polplatte, wenn das Polplattenpaar in dem System der Test-Brennstoffzelle eingebaut ist, sieht die Erfindung in einer weiteren Ausgestaltung vor, dass die Länge des wenigstens einen Ansatzes der ersten Polplatte mindestens 8% der Länge der Grundfläche der ersten Polplatte beträgt.
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Um ebenso einen Spannungsabgriff an der zweiten Polplatte des Test-Brennstoffzellen-Polplattenpaares sicherzustellen, wenn das Polplattenpaar in dem System der Test-Brennstoffzelle eingebaut ist, sieht die Erfindung in weiterer Ausgestaltung vor, dass die Länge des wenigstens einen Steges der zweiten Polplatte mindestens 15% der Länge der Grundfläche der zweiten Polplatte beträgt.
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Die Längenverhältnisse beider Polplatten zu dem Steg bzw. zu dem Ansatz gewährleisten, dass an der bekannten Testapparatur vorhandene Messsysteme und damit die bekannte Testapparatur zu Brennstoffzellentests verwendet werden können, ohne dass eine Änderung des Grundaufbaus der Testapparatur notwendig ist.
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Zur Kühlung des Test-Brennstoffzellen-Polplattenpaares ist es in Ausgestaltung der Erfindung von Vorteil, wenn die erste Polplatte und/oder die zweite Polplatte eine Folienbipolarplatte ist, bei welcher auf der Rückseitenfläche eine Kanalstruktur ausgebildet ist. Die auf der Rückseitenfläche der ersten und/oder zweiten Polplatte ausgebildete Kanalstruktur kann dabei das Negativ der Reaktionsseitenfläche der entsprechenden Polplatte sein, muss es aber nicht. Durch die Kanalstruktur der Rückseitenfläche kann dann ein Kühlmedium geleitet werden, um die bei dem Prozess freiwerdende thermische Energie kontinuierlich abzuführen.
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Um das Reaktionsgas der Reaktionsseitenfläche der zweiten Polplatte sicher und kontrolliert zuzuführen, sieht die Erfindung in weiterer Ausgestaltung vor, dass die zweite Polplatte auf ihrer Rückseitenfläche jeweilige Dichtungsmittel aufweist, die um einen jeweiligen Rand der Abführöffnung und der Zuführöffnung herum angeordnet sind.
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Damit wenigstens die zweite Polplatte an entsprechenden Elementen der Testapparatur befestigt werden kann, sieht die Erfindung in Ausgestaltung vor, dass die zweite Polplatte einen randseitig ausgebildeten Befestigungsrahmen aufweist, der die Kanalstruktur umgibt.
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Zur Abdichtung der Test-Brennstoffzelle sieht die Erfindung in weiterer Ausgestaltung vor, dass die zweite Polplatte auf ihrer Reaktionsseitenfläche eine umlaufende Nut zur Aufnahme eines Dichtelements aufweist, wobei die Nut zwischen der Kanalstruktur und dem Befestigungsrahmen angeordnet und ausgebildet ist. Bei dem Dichtelement kann es sich um eine O-Ring-Dichtung oder eine flüssig aufgetragene Dichtung handeln, die sicher in der Nut aufgenommen und gehalten ist und die Test-Brennstoffzelle abdichtet.
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Die Erfindung sieht in weiterer Ausgestaltung vor, dass die zweite Polplatte auf ihrer Reaktionsseitenfläche mehrere randseitig verlaufende Sicken zur Aufnahme eines Dichtungsmittels aufweist, wobei die Sicken zwischen der Nut und der Kanalstruktur angeordnet und ausgebildet sind. Diese Sicken ermöglichen die Aufbringung eines Flüssigdichtmittels, welches keine Dichtwirkung entfaltet, sondern vielmehr einer parasitären Strömung im Sinne eines Bypasses um den aktiven Zellbereich herum verhindert und zugleich die Untersuchung des Alterungsverhaltens von Dichtungselementen oder Dichtmittel durch das Milieu der Brennstoffzelle erlaubt.
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Für standardisierte Untersuchungen von Test-Brennstoffzellen hat es sich gezeigt, die aktiven Zell-Flächen normiert zu gestalten. Dementsprechend sieht die Erfindung in Ausgestaltung vor, dass die erste Polplatte und/oder die zweite Polplatte eine aktive Zell-Fläche von wenigstens 25 cm2 aufweist.
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In Ausgestaltung des Test-Brennstoffzellen-System gemäß Anspruch 14 sieht die Erfindung vor, dass zwischen den zellinternen Komponenten und der ersten Polplatte wenigstens ein Testzellenmodul angeordnet ist, welches ein Polplattenelement und zellinterne Komponenten, die zwischen dem Polplattenelement und der ersten Polplatte angeordnet sind, umfasst. Die Ergänzung des Test-Brennstoffzellen-Systems nach Anspruch 14 um ein einziges Testzellenmodul führt zu einem zwei-zelligen Test-Brennstoffzellen-System, wohingegen bei Verwendung von mehreren Testzellenmodulen ein Mehrzellenstapel (Brennstoffzellenstack) abgebildet werden kann.
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Schließlich sieht die Erfindung in Ausgestaltung des Test-Brennstoffzellen-Systems vor, dass das Polplattenelement zwei metallische Folienbipolarplatten umfasst, die miteinander verbunden sind und deren Rückseitenflächen einander zugewandt sind, sodass die jeweilige Vorderseitenfläche der zwei Folienbipolarplatten den zugeordneten zellinternen Komponenten zugewandt ist.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung, in der beispielhafte bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt:
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1 in perspektivischer Ansicht eine auswechselbare Test-Brennstoffzelle für eine bekannte Testapparatur mit einem Test-Brennstoffzellen-Polplattenpaar gemäß der Erfindung,
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2 einen Schnitt durch die Ansicht aus 1 mit einer Detailansicht,
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3 eine Einzelteildarstellung des in 1 gezeigten Teils einer Testapparatur mit einem Test-Brennstoffzellen-Polplattenpaar gemäß der Erfindung,
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4 eine Perspektivansicht zur Veranschaulichung des Austauschs einer zellinternen Komponente,
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5 eine Perspektivansicht auf eine erste Polplatte, die an einem Halteelement angebracht ist,
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6 in perspektivischer Ansicht die erste Polplatte und das Halteelement aus 4 in einer Einzelteildarstellung,
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7 die Rückseitenfläche der ersten Polplatte in perspektivischer Ansicht,
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8 eine Perspektivansicht auf eine zweite Polplatte, die an einem Fixierungselement befestigt ist,
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9 in Perspektivansicht die zweite Polplatte und das Fixierungselement aus 8 in einer Einzelteildarstellung und
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10 die Rückseitenfläche der zweiten Polplatte in perspektivischer Ansicht.
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In
1 ist in perspektivischer Ansicht eine Test-Brennstoffzelle
1 zu sehen, die auf einfache Weise in die in der
EP 1 839 364 B1 beschriebene Testapparatur eingebaut und auch wieder ausgebaut werden kann. Die
2 zeigt einen Schnitt durch diese Test-Brennstoffzelle
1 sowie eine Vergrößerung eines Bereichs der Test-Brennstoffzelle
1. In
3 ist dann eine Einzelteildarstellung der Test-Brennstoffzelle
1 gezeigt. Mit Bezug auf die
1 bis
3 umfasst die Test-Brennstoffzelle
1 eine zellinterne Komponente
2, welche in der beispielhaften Darstellung die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) ist, welche wiederum aus einer Anode, einer Kathode und einer zwischen Anode und Kathode angeordneten Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM), die auch Ionomer-Membran genannt wird, aufgebaut ist. Die zellinterne Komponente
2 ist dabei in einem Halterungsgehäuse untergebracht, welches sich aus einem Unterteil
3 und einem zweiteiligen Oberteil
4 zusammensetzt. Das Oberteil
4 weist dabei einen bewegbaren Druckstempel
5 auf, der mit einer Kraft
6 beaufschlagbar ist, um den direkt auf die aktive Zellfläche
7 der zellinternen Komponente
2 wirkenden Anpressdruck einzustellen.
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Zur beidseitigen Verteilung von Reaktionsgas (Brennstoff und Oxidationsmittel) ist es bei der aus dem Stand der Technik bekannten Testapparatur bekannt, dass sogenannte Einleger vorgesehen sind, in denen entsprechende Kanalstrukturen ausgebildet sind und die in dem Unterteil 3 und Oberteil 4 eingesetzt sind. Zwischen den beiden Einlegern, welche Monopolarplatten darstellen, ist bei der aus dem Stand der Technik bekannten Testapparatur dann die zellinterne Komponente 2 angeordnet. Im Unterschied zu diesem Stand der Technik sind bei der vorliegenden Erfindung die beiden Einleger als ein plattenförmiges Halteelement 8 und ein Fixierungselement 9 ausgebildet, wobei von dem Halteelement 8 nur die Rückseite in 3 zu sehen ist. Die Vorderseite des Halteelements 8 ist beispielsweise aus den 4 und 6 ersichtlich und weist zwei Öffnungen 8a, 8b zur Zu- und Abfuhr des Reaktionsgases auf. Die Vorderseite des Halteelements 8 stellt ferner eine stufenförmig abgesetzte Auflagefläche 8c dar, in welcher die Durchgangsöffnungen bzw. Öffnungen 8a, 8b ausgebildet sind. Das Halteelement 8 ist in dem Oberteil 4 untergebracht und mittels des Druckstempels 5 in Richtung der zellinternen Komponente 2 bewegbar bzw. drückbar. Das plattenförmige Fixierungselement 9 weist ebenfalls Durchgangsöffnungen 9a und 9b auf, die zur Zu- und Abfuhr eines Reaktionsgases dienen.
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Wie vorstehend angesprochen, entspricht der vorstehend beschriebene Aufbau der bekannten Testapparatur, wobei im Stand der Technik die beiden Einleger 8 und 9 mit ihren der zellinternen Komponente 2 zugewandten Seitenflächen als Monopolarplatten ausgebildet sind.
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Erfindungsgemäß dienen die Einleger bzw. das Halteelement 8 und das Fixierungselement 9 primär als Anbringungselement für ein Test-Brennstoffzellen-Polplattenpaar 10, welches eine erste Polplatte 11 und eine zweite Polplatte 12 umfasst. Mit Hilfe der dünnwandigen Polplatten 11 und 12 können Prüfungen durchgeführt werden, die ein realeres Abbild für automobile oder portable Brennstoffzellen-Systeme liefern, als es mit den dickwandigen Einlegern 8, 9 der Fall ist. Erfindungsgemäß ist es somit zu Prüfzwecken möglich, zusätzlich zu der zellinternen Komponente 2 auch die Polplatten 11, 12 auszutauschen. Dies ist anhand der 4 gezeigt, aus welcher ersichtlich wird, auf welch einfache Weise die zellinterne Komponente 2 und die beiden Polplatten 11, 12 ausgetauscht und durch andere Konfigurationen ersetzt werden können. Mit Hilfe der Polplatten 11, 12 kann die bekannte Testapparatur weiterhin verwendet werden, ohne dass dazu ein Eingriff in den Grundaufbau notwendig ist.
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In den 5 bis 7 sind Details der ersten Polplatte 11 dargestellt, wobei in den 5 und 6 zusätzlich noch das Halteelement 8 dargestellt ist. Die erste Polplatte 11 weist eine viereckige Grundfläche 14 auf, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel quadratisch ausgebildet ist. Die Grundfläche 14 weist eine in den 5 und 6 gezeigte Reaktionsseitenfläche 15 und eine gegenüberliegende und in 7 gezeigte Rückseitenfläche 16 auf. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weisen sowohl die Reaktionsseitenfläche 15 als auch die Rückseitenfläche 16 eine mäanderförmige Kanalstruktur 17 auf, wobei die Kanalstruktur 17 auf der Rückseitenfläche 16 ein Negativ der Kanalstruktur 17 auf der Reaktionsseitenfläche 15 ist. Die Kanalstruktur 17 der Reaktionsseitenfläche 15 ist mit einer Einlassöffnung 18 und einer Auslassöffnung 19 zur Verteilung eines Reaktionsgases strömungsverbunden, wohingegen die Kanalstruktur auf der Rückseitenfläche 16 von einem Kühlmedium durchströmt werden kann. Wie anhand der 6 zu erkennen ist, welche eine Einzelteildarstellung von erster Polplatte 11 und Halteelement 8 zeigt, ist die Durchgangsöffnung 8a des Halteelements 8 korrespondierend zu der Einlassöffnung 18 der ersten Polplatte ausgebildet. Ebenso ist die Durchgangsöffnung 8b des Halteelements 8 korrespondierend zu der Auslassöffnung 19 der ersten Polplatte ausgebildet. Das Reaktionsgas wird also direkt von dem Halteelement 8 zu der Kanalstruktur 17 auf der Reaktionsseitenfläche 15 geleitet. Um zu verhindern, dass Reaktionsgas auf die Rückseitenfläche 16 der ersten Polplatte gelangt, sind Dichtungselemente 20a und 20b vorgesehen, welche in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als O-Ringe ausgebildet sind. Die erste Polplatte 11 weist an ihren Seitenrändern 11a, 11b, 11c, 11d jeweils eine Abkantung 21a, 21b, 21c, 21d auf (siehe zum Beispiel 7). Die jeweiligen Abkantungen 21a, 21b, 21c, 21d erstrecken sich mit Bezug auf die Grundfläche 14 unter einem Winkel von 90°. Dabei stehen die Abkantungen 21a, 21b, 21c, 21d von der Rückseitenfläche 16 ab und bilden dabei eine Art Seitenkante. Diese Seitenkanten bzw. Abkantungen 21a, 21b, 21c, 21d dienen der genauen Positionierung der ersten Polplatte 11 in der Test-Brennstoffzelle 1. Zur Positionierung könnte es auch ausreichend sein, wenn die erste Polplatte 11 an wenigstens zwei sich gegenüberliegenden Seitenrändern 11a, 11c oder 11b, 11c eine jeweilige Abkantung 21a, 21c oder 21b, 21d aufweist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind jedoch vier Abkantungen 21a, 21b, 21c, 21d vorgesehen, die es ermöglichen, dass die erste Polplatte 11 mit ihren Seitenkanten, also den Abkantungen 21a, 21b, 21c, 21d, auf die abgesetzte Auflagefläche 8c mit dieser eine formschlüssige Verbindung bildend aufgesteckt ist. Die erste Polplatte 11 weist ferner zwei auf gegenüberliegenden Seiten angeordnete Ansätze 22a und 22b auf, von denen wenigstens einer dem Spannungsabgriff bei Prüftests dient. Denn bei der bekannten Testapparatur ist ein Federdraht 23 vorgesehen, welcher an dem Ansatz 22b der ersten Polplatte 11 die Spannung abgreift, wie es in der vergrößerten Darstellung der 2 zu sehen ist. Die Verwendung eines Federdrahts 23 ist deshalb notwendig, weil auf die erste Polplatte 11 der Druckstempel 5 einwirkt und die erste Polplatte 11 damit bewegbar in Richtung der zellinternen Komponente 2 ist. Wie aus den 5 bis 7 weiter zu erkennen ist, erstrecken sich die beiden Ansätze 22a, 22b der ersten Polplatte 11 jeweils vom freien Ende der zugeordneten Abkantung 21b bzw. 21d aus und parallel zu der Ebene der Grundfläche 14 der ersten Polplatte 11. Aus der 6 geht weiter hervor, dass die Länge 24 eines jeweiligen Ansatzes 22a, 22b der ersten Polplatte 14 mindestens 8% der Länge 25 der Grundfläche 14 der ersten Polplatte 11 beträgt. Dadurch ist gewährleistet, dass sich die Ansätze 22a oder 22b bis zu dem Federdraht 23 erstrecken und der Federdraht 23 nicht mit dem Material des Halteelements 8, sondern mit einem der Ansätze 22a, 22b in Kontakt kommt.
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In den 8 bis 10 sind Details der zweiten Polplatte 12 dargestellt, wobei in den 8 und 9 zusätzlich das Fixierungselement 9 gezeigt ist. Die zweite Polplatte 12 weist ebenfalls eine viereckig ausgebildete Grundfläche 26 auf, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel quadratisch ist. Die Grundfläche 26 umfasst eine Reaktionsseitenfläche 27, die in den 8 und 9 zu sehen ist, und eine Rückseitenfläche 28, die in 10 gezeigt ist. In der Grundfläche 26 sind eine Zuführöffnung 29 und eine Abführöffnung 30 zur Zu- und Abfuhr von Reaktionsgas ausgebildet. Das Reaktionsgas durchströmt dabei eine auf der Reaktionsseitenfläche 27 der zweiten Polplatte 12 ausgebildete Kanalstruktur 31, die zur Verteilung eines Reaktionsgases dient. Auch die Rückseitenfläche 28 der zweiten Polplatte 12 weist eine Kanalstruktur auf, die aber dem Negativ der auf der Reaktionsseitenfläche 27 ausgebildeten Kanalstruktur 31 entspricht und die von einem Kühlmedium durchströmt werden kann. Das Fixierungselement 9 weist eine Aufnahmefläche 9c auf, in welcher die Kanalstruktur 31 eingepasst ist und auf welcher insgesamt die zweite Polplatte 12 aufliegend befestigt ist. Zur Befestigung weist die zweite Polplatte 12 insbesondere einen randseitig ausgebildeten Befestigungsrahmen 34 (siehe zum Beispiel 10) auf, der die Kanalstruktur 31 umgibt. Dieser Befestigungsrahmen 34 liegt auf dem Fixierungselement 9 auf und ist mit diesem im eingebauten Zustand verschraubt.
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Ferner sind die Durchgangsöffnungen 9a, 9b in der Aufnahmefläche 9c ausgebildet, wobei die Durchgangsöffnungen 9a, 9b zu der Zuführöffnung 29 und zu der Abführöffnung 30 korrespondierend angeordnet und ausgebildet sind. Damit das zu der Kanalstruktur 31 geleitete Reaktionsgas nicht am Übergang von dem Fixierungselement 9 zu der zweiten Polplatte 12 entweichen kann, sind auf der Rückseitenfläche 28 der zweiten Polplatte jeweilige Dichtungsmittel 32, 33 um die jeweiligen Ränder der Abführöffnung 29 und der Zuführöffnung 30 herum angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Seitenfläche, der Reaktionsseitenfläche 27 der zweiten Polplatte 12, sind weitere Mittel zur Abdichtung der Zelle vorgesehen. So weist die zweite Polplatte 12 auf ihrer Reaktionsseitenfläche 27 eine umlaufende Nut 40 zur Aufnahme eines Dichtelements oder eines Dichtmittels auf, wobei die Nut 40 zwischen der Kanalstruktur 31 und dem Befestigungsrahmen 34 angeordnet und ausgebildet ist. Ferner umfasst die zweite Polplatte 12 auf ihrer Reaktionsseitenfläche 27 mehrere randseitig verlaufende Sicken 41 zur Aufnahme eines Dichtungsmittels, wobei die Sicken 41 zwischen der Nut 40 und der Kanalstruktur 31 angeordnet und ausgebildet sind.
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Zum Spannungsabgriff weist die zweite Polplatte 12 einen Steg 45 auf, der sich von einem der Seitenränder der Grundfläche 26 aus und in der Ebene der Grundfläche 26 erstreckt. Dabei beträgt die Länge 50 des Steges 45 der zweiten Polplatte 12 mindestens 15% der Länge 51 der Grundfläche 26 der zweiten Polplatte 12 (siehe hierzu 10). Dadurch kann auf die bei der bekannten Testapparatur vorhandene Messapparatur zurückgegriffen werden und die Spannung bequem an dem Steg 45 abgegriffen werden, denn der Steg 45 steht aus dem von Oberteil 4 und Unterteil 5 gebildeten Gehäuse hervor, wie es aus 1 ersichtlich ist.
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In dem in den Figuren gezeigten und vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die erste Polplatte 11 und/oder die zweite Polplatte 12 als jeweilige Folienbipolarplatten ausgebildet, bei denen auf der Rückseitenfläche 16, 28 eine Kanalstruktur ausgebildet ist, die bei dem Ausführungsbeispiel dem Negativ der auf der Reaktionsseitenfläche 15, 27 ausgebildeten Kanalstruktur 17, 31 entspricht. Ferner weisen die erste Polplatte 11 und die zweite Polplatte 12 eine aktive Zell-Fläche von wenigstens 25cm2 auf.
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Das erfindungsgemäße Test-Brennstoffzellen-Polplattenpaar-System umfasst das Test-Brennstoffzellen-Polplattenpaar 10, das Halteelement 8, das Fixierungselement 9 und zellinterne Komponenten 2. Dieses System kann auf einfache Weise in die bekannte Testapparatur eingebaut und geprüft werden, ohne dass Änderungen an der bekannten Testapparatur notwendig sind. Darüber hinaus ist erfindungsgemäß wenigstens ein Testzellenmodul vorgesehen, welches zwischen den zellinternen Komponenten 2 und der ersten Polplatte 11 eingesetzt werden kann. Durch das zusätzliche Testzellenmodul kann die einzellige Testbrennstoffzelle auf ein zweizelliges System erweitert werden, wobei das Testzellenmodul zwei verbundene Polplattenelemente, d.h. eine Bipolarplatte und weitere zellinterne Komponenten (zum Beispiel MEA, GDL etc.) umfasst. Die Verwendung von mehreren hintereinanderliegend angeordneten Testzellenmodulen erlaubt ferner die Abbildung eines Mehrzellenstapels (Brennstoffzellenstack), so dass mit der bekannten Testapparatur in Kombination mit der vorliegenden Erfindung auch Test-Brennstoffzellenstacks getestet und geprüft werden können, welche die Eigenschaften von Polplatten in Form von tiefgezogenen Blechen abbilden, was bislang nicht möglich war.
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Die vorstehend beschriebene Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschriebene und dargestellte Ausführungsform beschränkt. Es ist ersichtlich, dass an der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform zahlreiche, dem Fachmann entsprechend der beabsichtigten Anwendung naheliegende Abänderungen vorgenommen werden können, ohne dass dadurch der Bereich der Erfindung verlassen wird. Zur Erfindung gehört alles dasjenige, was in der Beschreibung enthalten und/oder in der Zeichnung dargestellt ist, einschließlich dessen, was abweichend von dem konkreten Ausführungsbeispiel für den Fachmann naheliegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1839364 B1 [0002, 0036]
