EP1728082A1 - Device for determining the distribution of current density in fuel cells - Google Patents

Device for determining the distribution of current density in fuel cells

Info

Publication number
EP1728082A1
EP1728082A1 EP05715016A EP05715016A EP1728082A1 EP 1728082 A1 EP1728082 A1 EP 1728082A1 EP 05715016 A EP05715016 A EP 05715016A EP 05715016 A EP05715016 A EP 05715016A EP 1728082 A1 EP1728082 A1 EP 1728082A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plate
fuel cell
segmented
current density
distribution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP05715016A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thorsten WÜSTER
Prakash Chandra 53 Bibiganj Road GHOSH
Hendrik Dohle
Jürgen Mergel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP1728082A1 publication Critical patent/EP1728082A1/en
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/08—Measuring current density

Definitions

  • the invention relates to a device with which the current density distribution in a single fuel cell and in particular also in complete fuel cell stacks can be determined.
  • Cell current or the entire cell voltage can be tapped.
  • water management and temperature distribution also influence the current distribution in a cell.
  • Cleghorn et al. [8] discloses a segmented anode for a fuel cell. It is made from a plated-through printed circuit board. A segment is connected to a first contact voltage source and the current flowing through the segment can be measured. The remaining segments are connected to a second contact voltage source. By switching between the segments, the current through all segments can be measured.
  • a printed circuit board is also used by Brett et at. In [2], whereby isolated current collectors were created to avoid segmentation of the cell.
  • Wieser et al. Hall sensors are used in a segmented flow field plate in order to measure the magnetic field which results from the current flow in the electrochemical cell. The current density distribution can then be calculated back from this. A test arrangement for a 600 cm 2 electrode area with 5 x 8 current sensors is shown.
  • Yonn et al. discloses in [9] a segmented single cell, in which the magnetic field is also measured and the current density distribution is calculated therefrom.
  • the segmented flow field is used both on the cathode side and on the anode side.
  • DE 100 03 584 A1 describes a method which determines the current density distribution in a fuel cell by measuring the external magnetic field.
  • DE 102 13 479 A1 discloses a method and a device for determining the current density distribution, the temperature distribution and the pressure distribution over the cross section of a conductor, in which measuring cells are arranged in a matrix. The measuring cells of a row are activated by a signal. A signal is then tapped at the columns, which is proportional to the current to be measured. It is common to all of the aforementioned measurement methods that the distribution of the current density was determined only with a high level of wiring complexity and / or with a relatively poor resolution.
  • the current density characterizes the performance of a fuel cell. It is usually measured in mA / cm 2 . Because this parameter also depends on the cell voltage, the current density is usually related to a cell voltage between 0.6 and 0.7 V. The current density depends on the effective cell area of the electrodes. Due to its porous design, the surface is usually many times larger than its mechanical surface. However, there is generally no linearity between the two quantities. A doubling of the cell area does not necessarily lead to a doubling of the current density.
  • the object of the invention is to provide a device for determining the local current density distribution within a single cell or a fuel cell stack, with which realistic current density measurements can be carried out in a simple manner over the cell cross section.
  • the device according to the invention is a current-conducting plate, in particular made of expanded graphite, which is arranged within the fuel cell or a fuel cell stack.
  • the plate is arranged, for example, between an end plate and a bipolar plate on the cathode side of a fuel cell.
  • the plate Due to its good sealing properties, the plate can be arranged both in a single cell and in a fuel cell stack. A partial segmentation of the graphite plate results in a
  • Resistor network realized on the graphite plate.
  • the segmented plate it is produced, for example, from a single plate, the individual segments being separated from adjacent segments apart from four thin webs at the corners of each segment.
  • the segmentation can, however, also be carried out by assembling individual segments which, for example, are arranged separately from one another to form a plate by insulating material.
  • Each segment has the function of a resistor in the resistor network.
  • Each segment is connected to two cables to take a potential difference.
  • each segment The front and back of each segment are arranged.
  • the partial segmentation of the plate advantageously reduces the lateral current flow in the plate. As soon as a current flows through a segment, a potential change occurs above that due to the material resistance
  • Segment on The potential differences across different segments depend on the local current flowing there. The potential difference is advantageously measured in the center of each resistance segment. The current density distribution can then be calculated with this. The accuracy of the current density distribution increases with the number of segments.
  • the person skilled in the art can select an appropriate matrix for a fuel cell on the basis of the question to be clarified. With a cell size of 16 ⁇ 24 cm 2 and an active area of 244 cm 2 , for example, a matrix of at least 4 ⁇ 5 segments is advantageously provided.
  • the number of contact wires also disadvantageously increases with the number of segments, which on the one hand leads to increased wiring complexity and on the other hand to a regularly larger disturbance of the system.
  • an advantageous embodiment of the device provides very thin wires, which for example have a diameter of only 0.15 mm.
  • Another advantageous embodiment has sequentially connected wires. This means that only one wire is guided in a row or column of segments, which is in contact with all the segments in this row.
  • a sequential row connection is advantageously provided on a first side of the plate and a sequential column connection is provided on the second side. This allows the number of wires to be significantly reduced and the influence of these wires on the system is also further reduced.
  • the fuel cell that is actually to be examined remains unchanged in the device according to the invention.
  • the additionally inserted segmented plate and possibly further plates can simply be removed again after the current density distribution has been determined for this fuel cell.
  • the additional additional plates can be both segmented and non-segmented, and in particular also consist of expanded graphite. These additional plates advantageously protect the contact points and the wires of the actual segmented plate. At the same time, they can serve as sealing elements, for example for an existing cooling circuit.
  • the advantages of the device according to the invention can be summarized as follows.
  • the management of the fuel cell stack is hardly affected. Measurements for determining the local current density distribution over the cross section of the cell are possible both within an individual fuel cell and for a fuel cell stack.
  • Using the additional plate makes segmentation of one of the electrodes unnecessary. After removing the plate, the cell is still fully functional.
  • the device according to the invention thus provides a simple and inexpensive way of obtaining better insights into the reactivity within a fuel cell.
  • the improved determination of current density distributions enables advantageous optimizations of the operational management of a fuel cell in a simple manner.
  • the current density distribution is determined in a single PEM fuel cell with the dimensions 24 ⁇ 16 cm 2 and an active electrode area of 244 cm 2 .
  • the fuel cell has a 14-channel serpentine distributor plate, which is shown in FIG. 1.
  • a plate 1 made of expanded graphite with a thickness of 0.1 cm and dimensions similar to the fuel cell is used as a resistance network.
  • the graphite plate is segmented into 20 equally large areas 2 of size 32 x 32 mm 2 , so that a 5 x 4 resistance network results. This type of segmentation is advantageously based on the position of the serpentines 3 on the distributor plate.
  • the network itself is generated by dividing lines 4 in the graphite plate on the order of 2 x 30 mm 2 , which separates adjacent segments from one another, but leaves a connection 5 of approximately 4 x 4 mm 2 at the corners.
  • the segments are usually numbered in the flow direction of the cathode gas.
  • Each side of a segment is contacted with a copper cable 6, so that there are a total of forty copper cables.
  • copper wires with a cross section of 0.15 mm are used, which are led to the outside via one of the dividing lines to one side of the fuel cell.
  • the position of the resistance network within the fuel cell is clear in FIG.
  • the plate 1 with the resistance network (1 + 6) is arranged in the fuel cell on the cathode side between an end plate 8 and a bipolar plate 9, whereby it is itself arranged between two further segmented graphite plates 10. These two additional graphite plates are intended in particular to prevent damage to the contact points of the resistance network.
  • a compact graphite plate 11 is provided between one of the segmented graphite plates 10 and the end plate 8, which regularly prevents air leaks.
  • 12 illustrates the membrane electrode assembly (MEA), that of two others
  • serpentine channels e.g. 14 pieces 4 separations, for example by gaps or by insulating material

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)

Abstract

The invention relates to a device for determining the distribution of current density in a fuel cell or in a fuel cell stack comprising at least one fuel cell having two bipolar plates (9), a membrane/electrode unit (12) and an end plate (8). The inventive device is characterized by at least one segmented, conductive plate (7) that is interposed between a bipolar plate and an end plate, every segment of said plate being electrically contacted via two wires (6) via contact points. In contrast to prior art, where often individual electrodes or flow fields are segmented for determining the distribution of density, the fuel cell to be examined remains unchanged when the inventive device is used. The additional segmented plate and optionally additional plates can simply be removed once the distribution of current density has been determined for this fuel cell.

Description

B e s c h r e i b u n g Vorrichtung zur Bestimmung der Stromdichteverteilung in Brennstoffzellen Description of the device for determining the current density distribution in fuel cells
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit der die Stromdichteverteilung in einer Brennstoffeinzelzelle und insbesondere auch in kompletten Brennstoffzellenstapeln ermittelt werden kann.The invention relates to a device with which the current density distribution in a single fuel cell and in particular also in complete fuel cell stacks can be determined.
Stand der TechnikState of the art
Die Wirkungsweise und damit die Effektivität einer Brennstoffzelle sind einerseits stark von der Betriebsführung der Brennstoffzelle, insbesondere von dem Wasser- und Wärmemanagement, und andererseits vom Design und der Bauweise, beispielsweise der Geometrie der Betriebskanäle, ab- hängig. Während der Betriebsführung einer Brennstoffzelle treten regelmäßig Inhomogenitäten innerhalb der Brennstoffkonzentration entlang der Betriebsmittelverteilerplatte, auch Flow field genannt, auf, welche regelmäßig zu Inhomogenitäten in der Stromverteilung entlang der Elektrode führen. Diese Inhomogenitäten sind allerdings an der Außenseite einer Brennstoffzelle nicht zu erkennen, da dort in der Regel nur der gesamteThe mode of operation and thus the effectiveness of a fuel cell depend to a large extent on the operational management of the fuel cell, in particular on water and heat management, and on the other hand on the design and construction, for example the geometry of the operating channels. During the operational management of a fuel cell, inhomogeneities regularly occur within the fuel concentration along the operating medium distributor plate, also called flow field, which regularly lead to inhomogeneities in the current distribution along the electrode. However, these inhomogeneities cannot be seen on the outside of a fuel cell, since there is usually only the entire one
Zellenstrom, bzw. die gesamte Zellspannung abgegriffen werden kann. Neben der Brennstoffkonzentration beeinflussen auch das Wassermanagement und die Temperaturverteilung die Stromverteilung in einer Zelle.Cell current, or the entire cell voltage can be tapped. In addition to the fuel concentration, water management and temperature distribution also influence the current distribution in a cell.
Die Optimierung dieser Faktoren setzt daher insbesondere die genaueThe optimization of these factors therefore sets the exact one
Kenntnis der lokalen Stromdichteverteilung in der Einzelzelle bzw. in dem Brennstoffzellenstapel voraus.Knowledge of the local current density distribution in the individual cell or in the fuel cell stack beforehand.
Um die zunächst in Simulationen berechneten mathematischen Ergebnis- se zu bestätigen, sind insbesondere praktische Untersuchungen notwendig, die zudem ein besseres Verständnis für die elektrochemischen Reaktionen im Inneren einer Brennstoffzelle geben sollen. Bislang sind jedoch nur einige wenige Experimente an Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoff- zellen (PEM) und an Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (D FC) [1-4] veröffentlicht worden, die sich mit der Stromdichteverteilung in einer Einzelzelle beschäftigt haben.In order to confirm the mathematical results initially calculated in simulations, practical examinations are particularly necessary, which should also give a better understanding of the electrochemical reactions inside a fuel cell. So far, however, only a few experiments on polymer electrolyte membrane fuel cells (PEM) and on direct methanol fuel cells (D FC) [1-4], which dealt with the current density distribution in a single cell.
Bei Stümper et al. [3] werden gleich mehrere unterschiedliche Methoden vorgestellt, die Informationen über die Stromdichteverteilung liefern können. Dies sind die Partielle Membran-Elektroden-Einheit (MEA)-Methode, bei der nur ein Teil der Membran mit Katalysator belegt wird. Durch Messung an unterschiedlichen Bereichen der Membran kann so auf die Stromdichteverteilung geschlossen werden. Bei der Unterzellenmethode sind einige Bereiche der Membran-Elektroden-Einheit und passend dazu in der Anode und der Kathode vom Rest der Zelle isoliert und werden zur Auslesung separat angesteuert. Bei der Stromabbildungstechnik werden zwischen die Strömungsfeldplatte und die ableitende Platte Widerstände geschaltet. Der Spannungsabfall an diesen Widerständen kann als Maß für den Strom genommen werden.In Stümper et al. [3] several different methods are presented that can provide information about the current density distribution. These are the Partial Membrane Electrode Unit (MEA) method, in which only part of the membrane is coated with catalyst. By measuring at different areas of the membrane, the current density distribution can be concluded. In the sub-cell method, some areas of the membrane-electrode assembly and correspondingly in the anode and the cathode are isolated from the rest of the cell and are controlled separately for reading. In current mapping technology, resistors are connected between the flow field plate and the dissipating plate. The voltage drop across these resistors can be taken as a measure of the current.
Cleghorn et al. [8] offenbart eine segmentierte Anode für eine Brennstoffzelle. Sie ist aus einer durchkontaktierten gedruckten Leiterplatte gefertigt. Ein Segment wird mit einer ersten Kontaktspannungsquelle verbunden und der durch das Segment fließende Strom kann gemessen werden. Die übrigen Segmente werden mit einer zweiten Kontaktspannungsquelle verbunden. Durch Umschaltung zwischen den Segmenten kann so der Strom durch alle Segmente gemessen werden.Cleghorn et al. [8] discloses a segmented anode for a fuel cell. It is made from a plated-through printed circuit board. A segment is connected to a first contact voltage source and the current flowing through the segment can be measured. The remaining segments are connected to a second contact voltage source. By switching between the segments, the current through all segments can be measured.
Eine gedruckte Leiterplatte wird auch bei Brett et at. in [2] eingesetzt, wobei isolierte Stromsammler geschaffen wurden, um eine Segmentierung der Zelle zu umgehen.A printed circuit board is also used by Brett et at. In [2], whereby isolated current collectors were created to avoid segmentation of the cell.
Bei Schönbauer et al. in [7] wurde eine gedruckte Schaltung in eine Bipolarplatte eingebracht, so dass die Stromverteilung nicht nur in einer Ein- zelzelle, sondern vorteilhaft in einem Brennstoffzellenstapel gemessen werden konnte.Schönbauer et al. in [7] a printed circuit was inserted into a bipolar plate so that the current distribution was not only in one cell, but could be measured advantageously in a fuel cell stack.
Noponen et al. berichten in [5] über die Messung der Stromdichtevertei- lung einer segmentierten Kathode einer freiblasenden Brennstoffzelle.Noponen et al. report in [5] on the measurement of the current density distribution of a segmented cathode of a free-blowing fuel cell.
Bei Wieser et al. [1] werden Hallsensoren in eine segmentierte Flow field Platte eingesetzt, um das magnetische Feld zu messen, welches sich aus dem Stromfluss in der elektrochemischen Zelle ergibt. Die Stromdichtever- teilung lässt sich dann daraus zurückrechnen. Es wird eine Versuchsanordnung für eine 600 cm2 große Elektrodenfläche mit 5 x 8 Stromsensoren dargestellt.In Wieser et al. Hall sensors are used in a segmented flow field plate in order to measure the magnetic field which results from the current flow in the electrochemical cell. The current density distribution can then be calculated back from this. A test arrangement for a 600 cm 2 electrode area with 5 x 8 current sensors is shown.
Yonn et al. offenbart in [9] eine segmentierte Einzelzelle, bei der ebenfalls das magnetische Feld gemessen, und die Stromdichteverteilung daraus errechnet wird. Dabei wird das segmentierte Flow field sowohl an der Kathodenseite, als auch an der Anodenseite eingesetzt.Yonn et al. discloses in [9] a segmented single cell, in which the magnetic field is also measured and the current density distribution is calculated therefrom. The segmented flow field is used both on the cathode side and on the anode side.
In DE 100 03 584 A1 wird ein Verfahren beschrieben, welches die Strom- dichteverteilung in einer Brennstoffzelle über die Vermessung des äußeren Magnetfeldes bestimmt.DE 100 03 584 A1 describes a method which determines the current density distribution in a fuel cell by measuring the external magnetic field.
Aus DE 102 13 479 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Stromdichteverteilung, der Temperaturverteilung und der Druck- Verteilung über den Querschnitt eines Leiters bekannt, bei dem Messzellen zu einer Matrix angeordnet werden. Die Messzellen einer Zeile werden jeweils durch ein Signal aktiviert. An den Spalten wird dann ein Signal abgegriffen, welches dem zu messenden Strom proportional ist. Allen vorgenannten Messmethoden ist gemein, dass die Bestimmung der Verteilung der Stromdichte nur mit hohem Verdrahtungsaufwand und/oder aber mit einer relativ schlechten Auflösung erfolgte.DE 102 13 479 A1 discloses a method and a device for determining the current density distribution, the temperature distribution and the pressure distribution over the cross section of a conductor, in which measuring cells are arranged in a matrix. The measuring cells of a row are activated by a signal. A signal is then tapped at the columns, which is proportional to the current to be measured. It is common to all of the aforementioned measurement methods that the distribution of the current density was determined only with a high level of wiring complexity and / or with a relatively poor resolution.
Die Stromdichte charakterisiert die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle. Sie wird üblicherweise in mA/cm2 gemessen. Weil diese Kenngröße auch von der Zellspannung abhängt, bezieht man die Stromdichte üblicherweise auf eine Zellspannung zwischen 0,6 und 0,7 V. Die Stromdichte ist abhängig von der effektiven Zellfläche der Elektroden. Diese ist auf- grund ihrer porösen Gestaltung der Oberfläche in der Regel um ein Vielfaches größer als ihre mechanische Fläche. Eine Linearität zwischen den beiden Größen existiert aber in der Regel nicht. Eine Verdoppelung der Zellfläche führt also nicht zwangläufig zu einer Verdoppelung der Stromdichte.The current density characterizes the performance of a fuel cell. It is usually measured in mA / cm 2 . Because this parameter also depends on the cell voltage, the current density is usually related to a cell voltage between 0.6 and 0.7 V. The current density depends on the effective cell area of the electrodes. Due to its porous design, the surface is usually many times larger than its mechanical surface. However, there is generally no linearity between the two quantities. A doubling of the cell area does not necessarily lead to a doubling of the current density.
Allen diesen vorgenannten Verfahren ist die Segmentierung der Brennstoffzelle teilweise oder komplett gemeinsam. Dies führt aber zwangsläufig zu einer Abweichung des Verhaltens der Brennstoffzelle in diesem Versuchsaufbau verglichen mit dem üblichen Betrieb einer unsegmentierten Zelle.The segmentation of the fuel cell is partly or completely common to all of these aforementioned methods. However, this inevitably leads to a deviation in the behavior of the fuel cell in this experimental setup compared to the normal operation of an unsegmented cell.
Aufgabe und LösungTask and solution
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Ermittlung der lokalen Stromdichtverteilung innerhalb einer Einzelzelle oder eines Brennstoff- zellenstapels zur Verfügung zu stellen, mit der auf einfache Weise realitätsnahe Stromdichtemessungen über den Zellenquerschnitt vorgenommen werden können.The object of the invention is to provide a device for determining the local current density distribution within a single cell or a fuel cell stack, with which realistic current density measurements can be carried out in a simple manner over the cell cross section.
Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch eine Vorrichtung mit der Gesamtheit an Merkmalen gemäß Hauptanspruch. Vorteilhafte Ausgestal- tungen der Vorrichtung finden sich in den jeweils rückbezogenen Unteransprüchen. Gegenstand der ErfindungThe objects of the invention are achieved by a device with all the features according to the main claim. Advantageous refinements of the device can be found in the respective dependent claims. Subject of the invention
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich um eine stromleitende, insbesondere aus expandiertem Graphit bestehende Platte, die innerhalb der Brennstoffzelle bzw. einem Brennstoffzellenstapel angeord- net ist. Die Platte ist dabei beispielsweise zwischen einer Endplatte und einer bipolaren Platte auf der Kathodenseite einer Brennstoffzelle angeordnet.The device according to the invention is a current-conducting plate, in particular made of expanded graphite, which is arranged within the fuel cell or a fuel cell stack. The plate is arranged, for example, between an end plate and a bipolar plate on the cathode side of a fuel cell.
Aufgrund ihrer guten Dichtungseigenschaften kann die Platte sowohl in einer Einzelzelle, als auch in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet werden. Durch eine teilweise Segmentierung der Graphitplatte wird einDue to its good sealing properties, the plate can be arranged both in a single cell and in a fuel cell stack. A partial segmentation of the graphite plate results in a
Widerstandsnetzwerk auf der Graphitplatte realisiert. In einer Ausgestaltung der segmentierten Platte wird diese beispielsweise aus einer einzelnen Platte hergestellt, wobei die einzelnen Segmente bis auf vier dünne Stege an den Ecken eines jeden Segmentes jeweils von benachbarten Segmenten getrennt werden. Die Segmentierung kann aber auch durch Zusammenbau einzelner Segmente erfolgen, die beispielsweise durch isolierendes Material voneinander getrennt zu einer Platte angeordnet werden. Jedes Segment hat die Funktion eines Widerstands in dem Widerstandsnetzwerk. Jedes Segment ist mit zwei Kabeln zur Abnahme einer Potentialdifferenz verbunden. Diese sind vorteilhaft jeweils auf derResistor network realized on the graphite plate. In one embodiment of the segmented plate, it is produced, for example, from a single plate, the individual segments being separated from adjacent segments apart from four thin webs at the corners of each segment. The segmentation can, however, also be carried out by assembling individual segments which, for example, are arranged separately from one another to form a plate by insulating material. Each segment has the function of a resistor in the resistor network. Each segment is connected to two cables to take a potential difference. These are advantageous on the
Vorder- und der Rückseite eines jeden Segments angeordnet.The front and back of each segment are arranged.
Die partielle Segmentation der Platte verringert vorteilhaft den lateralen Stromfluss in der Platte. Sobald ein Strom durch ein Segment fließt, tritt aufgrund des Materialwiderstandes eine Potentialänderung über demThe partial segmentation of the plate advantageously reduces the lateral current flow in the plate. As soon as a current flows through a segment, a potential change occurs above that due to the material resistance
Segment auf. Die auftretenden Potentialdifferenzen über verschiedene Segmente hängen jeweils von dem dort lokal fließenden Strom ab. Die Potentialdifferenz wird vorteilhaft im Zentrum eines jeden Widerstandssegments gemessen. Damit lässt sich die Stromdichteverteilung dann be- rechnen. Die Genauigkeit der Stromdichteverteilung steigt mit der Anzahl der Segmente. Der Fachmann kann anhand der zu klärenden Fragestellung eine entsprechende Matrix für eine Brennstoffzelle auswählen. Vorteilhaft wird beispielsweise bei einer Zellengröße von 16 X 24 cm2 mit einer aktiven Fläche von 244 cm2 eine Matrix von wenigstens 4 x 5 Segmente vorgesehen. Mit der Anzahl der Segmente steigt nachteilig auch die Anzahl der Kontaktdrähte, was einerseits zu einem erhöhten Verschaltungsaufwand und andererseits zu einer regelmäßig größeren Störung des Systems führt.Segment on. The potential differences across different segments depend on the local current flowing there. The potential difference is advantageously measured in the center of each resistance segment. The current density distribution can then be calculated with this. The accuracy of the current density distribution increases with the number of segments. The person skilled in the art can select an appropriate matrix for a fuel cell on the basis of the question to be clarified. With a cell size of 16 × 24 cm 2 and an active area of 244 cm 2 , for example, a matrix of at least 4 × 5 segments is advantageously provided. The number of contact wires also disadvantageously increases with the number of segments, which on the one hand leads to increased wiring complexity and on the other hand to a regularly larger disturbance of the system.
Um eine Störung durch die in der Zelle angeordneten Drähte zu minimieren, sieht eine vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung sehr dünne Drähte vor, die beispielsweise einen Durchmesser von nur 0,15 mm aufweisen.In order to minimize interference from the wires arranged in the cell, an advantageous embodiment of the device provides very thin wires, which for example have a diameter of only 0.15 mm.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform weist sequentiell verschaltete Drähte auf. Das bedeutet, dass in einer Reihe bzw. einer Spalte von Segmenten lediglich ein Draht geführt wird, der zu allen in dieser Reihe befindlichen Segmenten Kontakt hat. Vorteilhaft wird auf einer ersten Seite der Platte eine sequentielle Reihen- und auf der zweiten Seite eine sequentielle Spaltenverschaltung vorgesehen. Damit lässt sich die Anzahl der Drähte deutlich reduzieren und die Beeinflussung des Systems durch diese Drähte wird ebenfalls weiter reduziert.Another advantageous embodiment has sequentially connected wires. This means that only one wire is guided in a row or column of segments, which is in contact with all the segments in this row. A sequential row connection is advantageously provided on a first side of the plate and a sequential column connection is provided on the second side. This allows the number of wires to be significantly reduced and the influence of these wires on the system is also further reduced.
Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik, bei dem zur Ermittlung der Stromdichteverteilung häufig einzelne Elektroden oder Flow-fields segmentiert wurden, bleibt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die eigentlich zu untersuchende Brennstoffzelle unverändert. Die zusätzlich eingebrachte segmentierte Platte und gegebenenfalls weitere Platten kön- nen nach der Ermittlung der Stromdichteverteilung für diese Brennstoffzelle einfach wieder ausgebaut werden. Die zusätzlichen weiteren Platten können sowohl segmentiert, als auch nicht segmentiert sein, und insbesondere ebenfalls aus expandiertem Graphit bestehen. Diese zusätzlichen Platten bewirken vorteilhaft den Schutz der Kontaktstellen und der Drähte der eigentlichen segmentierten Platte. Gleichzeitig können sie als Dichtelemente, beispielsweise für einen vorhandenen Kühlkreislauf dienen.In contrast to the known prior art, in which individual electrodes or flow fields were often segmented to determine the current density distribution, the fuel cell that is actually to be examined remains unchanged in the device according to the invention. The additionally inserted segmented plate and possibly further plates can simply be removed again after the current density distribution has been determined for this fuel cell. The additional additional plates can be both segmented and non-segmented, and in particular also consist of expanded graphite. These additional plates advantageously protect the contact points and the wires of the actual segmented plate. At the same time, they can serve as sealing elements, for example for an existing cooling circuit.
Bei Einbau einer segmentierten Platte (Widerstandsnetzwerk) in einem Brennstoffzellenstapel, wird diese vorteilhaft zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet.When installing a segmented plate (resistance network) in a fuel cell stack, it is advantageously arranged between two bipolar plates.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich wie folgt zusammenfassen. Der Brennstoffzellenstapel wird in seiner Betriebsführung kaum beeinträchtigt. Es sind Messungen zur Ermittlung der lokalen Stromdichteverteilung über den Querschnitt der Zelle sowohl innerhalb einer einzelnen Brennstoffzelle als auch für einen Brennstoffzellenstapel möglich. Durch den Einsatz der zusätzlichen Platte wird eine Segmentierung einer der Elektroden unnötig. Nach dem Ausbau der Platte ist die Zelle weiterhin voll funktionstüchtig.The advantages of the device according to the invention can be summarized as follows. The management of the fuel cell stack is hardly affected. Measurements for determining the local current density distribution over the cross section of the cell are possible both within an individual fuel cell and for a fuel cell stack. Using the additional plate makes segmentation of one of the electrodes unnecessary. After removing the plate, the cell is still fully functional.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt somit eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Verfügung, bessere Erkenntnisse über die Reaktivität innerhalb einer Brennstoffzelle zu erhalten. Durch die verbesserte Ermittlung von Stromdichteverteilungen werden auf einfache Weise vor- teilhafte Optimierungen der Betriebsführungen einer Brennstoffzelle ermöglicht.The device according to the invention thus provides a simple and inexpensive way of obtaining better insights into the reactivity within a fuel cell. The improved determination of current density distributions enables advantageous optimizations of the operational management of a fuel cell in a simple manner.
Spezieller BeschreibungsteilSpecial description part
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand eines Ausfüh- rungsbeispiels und von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Stromdichteverteilung in einer einzelnen PEM-Brennstoffzelle mil den Maßen 24 x 16 cm2 und einer aktiven Elektrodenfläche von 244 cm2 bestimmt. Die Brennstoffzelle weist eine 14-Kanal Serpentinen Verteilerplatte auf, die in Figur 1 wiedergeben ist. Eine Platte 1 aus expandiertem Graphit mit einer Stärke von 0,1 cm und ähnlichen Abmessungen wie die Brennstoffzelle wird als Widerstandsnetzwerk eingesetzt. Die Graphitplatte wird in 20 gleichgroße Bereiche 2 der Größe 32 x 32 mm2 segmentiert, so dass sich ein 5 x 4 Widerstandsnetzwerk ergibt. Diese Art der Segmentierung basiert vorteilhaft auf der Lage der Serpentinen 3 auf der Verteilerplatte. Das Netzwerk selbst wird durch Trennlinien 4 in der Graphitplatte in der Größenordnung von 2 x 30 mm2 erzeugt, die benachbarte Segmente voneinander trennt, aber an den Ecken eine Verbindung 5 von ca. 4 x 4 mm2 bestehen lässt. Die Segmente werden üblicherweise in Flussrichtung des Kathodengases numme- riert. Jede Seite eines Segments wird mit einem Kupferkabel 6 kontaktiert, so dass in Summe vierzig Kupferkabel vorliegen. Um Störungen durch die Drähte innerhalb der Zelle zu reduzieren werden Kupferdrähte mit 0,15 mm Querschnitt eingesetzt, die über die Trennlinien zu einer Seite der Brennstoffzelle nach außen geführt werden.The subject matter of the invention is explained in more detail below with the aid of an exemplary embodiment and figures, without the subject matter of the invention being restricted thereby. In an advantageous embodiment, the current density distribution is determined in a single PEM fuel cell with the dimensions 24 × 16 cm 2 and an active electrode area of 244 cm 2 . The fuel cell has a 14-channel serpentine distributor plate, which is shown in FIG. 1. A plate 1 made of expanded graphite with a thickness of 0.1 cm and dimensions similar to the fuel cell is used as a resistance network. The graphite plate is segmented into 20 equally large areas 2 of size 32 x 32 mm 2 , so that a 5 x 4 resistance network results. This type of segmentation is advantageously based on the position of the serpentines 3 on the distributor plate. The network itself is generated by dividing lines 4 in the graphite plate on the order of 2 x 30 mm 2 , which separates adjacent segments from one another, but leaves a connection 5 of approximately 4 x 4 mm 2 at the corners. The segments are usually numbered in the flow direction of the cathode gas. Each side of a segment is contacted with a copper cable 6, so that there are a total of forty copper cables. In order to reduce interference from the wires inside the cell, copper wires with a cross section of 0.15 mm are used, which are led to the outside via one of the dividing lines to one side of the fuel cell.
In der Figur 2 wird die Lage des Widerstandsnetzwerks innerhalb der Brennstoffzelle deutlich. Die Platte 1 mit dem Widerstandsnetzwerk (1+6) ist in der Brennstoffzelle an der Kathodenseite zwischen einer Endplatte 8 und einer bipolaren Platte 9 angeordnet, wobei sie selbst zwischen zwei weiteren segmentierten Graphitplatten 10 angeordnet ist. Diese beiden zusätzlichen Graphitplatten sollen insbesondere Schäden an den Kontaktpunkten des Widerstandsnetzwerks verhindern. Zwischen einer der segmentierten Graphitplatten 10 und der Endplatte 8 ist eine kompakte Graphitplatte 11 vorgesehen, die Luft-Leckagen regelmäßig verhindert. 12 stellt die Membran-Elektrodeneinheit (MEA) dar, die von zwei weiterenThe position of the resistance network within the fuel cell is clear in FIG. The plate 1 with the resistance network (1 + 6) is arranged in the fuel cell on the cathode side between an end plate 8 and a bipolar plate 9, whereby it is itself arranged between two further segmented graphite plates 10. These two additional graphite plates are intended in particular to prevent damage to the contact points of the resistance network. A compact graphite plate 11 is provided between one of the segmented graphite plates 10 and the end plate 8, which regularly prevents air leaks. 12 illustrates the membrane electrode assembly (MEA), that of two others
Dichtungen (gaskets) 13 begrenzt wird. Legende im Einzelnen:Seals (gaskets) 13 is limited. Legend in detail:
1 Strom leitende Platte1 current conducting plate
2 Segmente2 segments
3 serpentinenförmig angeordnete Kanäle (z. B. 14 Stück) 4 Trennungen, beispielsweise durch Lücken oder durch isolierendes Material realisiert3 serpentine channels (e.g. 14 pieces) 4 separations, for example by gaps or by insulating material
5 Stege, insbesondere bei Lücken zwischen den Segmenten zur Stabilisierung der Platte 15 webs, especially if there are gaps between the segments to stabilize the plate 1
6 Drähte 7 Widerstandsnetzwerk mit segmentierter Platte 1 und Kontaktdrähte 66 wires 7 resistor network with segmented plate 1 and contact wires 6
8 Endplatte8 end plate
9 bipolare Platte9 bipolar plate
10 segmentierte Graphitplatte n unsegmentierte Graphitplatte 12 Membran-Elektroden-Einheit (MEA)10 segmented graphite plate n unsegmented graphite plate 12 membrane electrode assembly (MEA)
13 Dichtungen 13 seals
In der Anmeldung zitierte Literatur:Literature cited in the application:
[l] Ch. Wieser, A. Helmbold, E. Gülzow in "A new technique for two- dimensional current distribution measurements in electrochemical cells", Journal of Applied Electrochemistry 30 (2000) 803-807. [2] D.J.L. Brett, S. Atkins, N.P. Brandon, V. Vesovic, N. Vasileiadis, A.R.Kucemak, Electrochemistry Communications, 3 (2001 ) 628. [3] J. Stümper, S.A. Cambell, D.P. Wilkinson, M.C. Johnson, M. Davis in "In-situ methods for the determination of current distributions in PEM fuel cells", Electrochimica Acta, Vol. 43, No. 24 (1998) 3773-3783. [4] M. M. Mench, C.Y.J. Wang, The Electrochemical Society 150(1 ) (2003) A79. [5] M. Noponen, T. Mennolan, M. Mikkola, T. Hottinen, P. Lund, J. Power Sources 106 (2002) 304. [6] N. Rajalakshimi, m. Raja. K.S. Dhaththreyan, J. Power Sources 112 (2002) 331.[l] Ch. Wieser, A. Helmbold, E. Gülzow in "A new technique for two-dimensional current distribution measurements in electrochemical cells", Journal of Applied Electrochemistry 30 (2000) 803-807. [2] D.J.L. Brett, S. Atkins, N.P. Brandon, V. Vesovic, N. Vasileiadis, A.R. Kucemak, Electrochemistry Communications, 3 (2001) 628. [3] J. Stümper, S.A. Cambell, D.P. Wilkinson, M.C. Johnson, M. Davis in "In-situ methods for the determination of current distributions in PEM fuel cells", Electrochimica Acta, Vol. 43, No. 24 (1998) 3773-3783. [4] M. M. Mench, C.Y.J. Wang, The Electrochemical Society 150 (1) (2003) A79. [5] M. Noponen, T. Mennolan, M. Mikkola, T. Hottinen, P. Lund, J. Power Sources 106 (2002) 304. [6] N. Rajalakshimi, m. Raja. K. S. Dhaththreyan, J. Power Sources 112 (2002) 331.
[7] S. Schönbauer, T. Kaz, H. Sander, E. Gülzow, Proceedings 2nd Euro- pean PEFC Forum, Licern, Schweiz 1 (2003) 231. [8] S.J.C. Cleghom, C.R. Derouuin, M.S. Wilson, S. Gottesfeld in "A printed circuit board approach to measuring current distribution in a fuel cell", Journal of Applied Electrochemistry 28 (1998) 663-672.[7] S. Schönbauer, T. Kaz, H. Sander, E. Gülzow, Proceedings 2 nd European PEFC Forum, Licern, Switzerland 1 (2003) 231. [8] SJC Cleghom, CR Derouuin, MS Wilson, S Gottesfeld in "A printed circuit board approach to measuring current distribution in a fuel cell", Journal of Applied Electrochemistry 28 (1998) 663-672.
[9] Young-Gi Yoon, Won-Yong Lee, Tae-Hyun Yang, Gu-Gon Park Chang-Soo Kim in "Current distribution in a Single cell of PEMFC", Journal of Power Sources 118 (2003) 193-199. [9] Young-Gi Yoon, Won-Yong Lee, Tae-Hyun Yang, Gu-Gon Park Chang-Soo Kim in "Current distribution in a Single cell of PEMFC", Journal of Power Sources 118 (2003) 193-199.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Vorrichtung zur Bestimmung der Stromdichteverteilung in einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel, umfassend wenigstens eine Brennstoffzelle mit zwei bipolare Platten, einer Membran-Elektroden-Einheit sowie einer Endplatte, gekennzeichnet durch wenigstens eine segmentierte, leitfähige Platte, die zwischen einer bipolaren Platte und einer Endplatte angeordnet ist, wobei jedes Segment dieser Platte über zwei Drähte über Kontaktpunkte elektrisch kontaktiert ist.1. Device for determining the current density distribution in a fuel cell or a fuel cell stack, comprising at least one fuel cell with two bipolar plates, a membrane electrode assembly and an end plate, characterized by at least one segmented, conductive plate, which is between a bipolar plate and an end plate is arranged, each segment of this plate is electrically contacted via two wires via contact points.
2. Vorrichtung nach vorhergehendem Anspruch 1 , bei der die Kontakt- punkte und die Drähte jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Segmente angeordnet sind.2. Device according to the preceding claim 1, wherein the contact points and the wires are each arranged on opposite sides of the segments.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, mit einer segmentierten Platte, die wenigstens vier Segmente aufweist.3. Device according to one of the preceding claims 1 to 2, with a segmented plate having at least four segments.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, mit einer sequentiellen elektrischen Kontaktierung.4. Device according to one of the preceding claims 1 to 3, with a sequential electrical contact.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, bei der die Drähte zu zwei gegenüberliegenden Seiten aus der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt sind.5. Device according to one of the preceding claims 1 to 4, wherein the wires are led out on two opposite sides of the fuel cell or the fuel cell stack.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, bei der die Segmente durch nicht leitendes Material getrennt vorliegen.6. Device according to one of the preceding claims 1 to 5, wherein the segments are separated by non-conductive material.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der wenigstens ein innen liegendes Segment zusätzlich mit zwei Drähten über zusätzliche Kontaktpunkte kontaktiert ist. 7. Device according to one of claims 1 to 6, in which at least one inner segment is additionally contacted with two wires via additional contact points.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der benachbart zu der segmentierten Platte wenigstens eine zusätzliche segmentierte Platte aus Graphit angeordnet ist.8. Device according to one of claims 1 to 7, wherein at least one additional segmented plate made of graphite is arranged adjacent to the segmented plate.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der zwischen einer zusätzlich segmentierten Platte und der Endplatte eine kompakte Platte aus Graphit angeordnet ist. 9. Device according to one of claims 1 to 8, in which a compact plate made of graphite is arranged between an additionally segmented plate and the end plate.
EP05715016A 2004-03-23 2005-02-24 Device for determining the distribution of current density in fuel cells Ceased EP1728082A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200410014114 DE102004014114A1 (en) 2004-03-23 2004-03-23 Device for determining the current density distribution in fuel cells
PCT/DE2005/000310 WO2005096001A1 (en) 2004-03-23 2005-02-24 Device for determining the distribution of current density in fuel cells

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1728082A1 true EP1728082A1 (en) 2006-12-06

Family

ID=34963345

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP05715016A Ceased EP1728082A1 (en) 2004-03-23 2005-02-24 Device for determining the distribution of current density in fuel cells

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP1728082A1 (en)
DE (1) DE102004014114A1 (en)
WO (1) WO2005096001A1 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006005340A1 (en) * 2006-02-07 2007-08-09 Volkswagen Ag Detecting device for operational data of fuel cell in fuel cell stack, has sensor plate integrated into fuel cell stack
DE102007058837A1 (en) 2007-12-05 2009-06-10 Technische Universität Clausthal Electrochemical energy conversion system
CN104359571A (en) * 2014-11-05 2015-02-18 北京工业大学 Fuel cell internal temperature-current density distribution measurement male tab
DE102018132272A1 (en) * 2018-12-14 2020-06-18 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Device for characterizing an ion-permeable separator of a fuel cell
CN113701824B (en) * 2021-09-29 2022-09-02 中国科学院大连化学物理研究所 Device and method for testing local current density-temperature distribution of fuel cell

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5504471A (en) * 1993-09-16 1996-04-02 Hewlett-Packard Company Passively-multiplexed resistor array
WO2003071258A1 (en) * 2002-02-22 2003-08-28 Cantion A/S Sensor comprising an array of piezoresistors

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10151601B4 (en) * 2001-10-15 2005-03-10 Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt Gas distribution element, contact plate and fuel cell stack
US6828053B2 (en) * 2002-07-26 2004-12-07 General Motors Corporation In-situ resistive current and temperature distribution circuit for a fuel cell
JP4048097B2 (en) * 2002-10-28 2008-02-13 本田技研工業株式会社 Fuel cell current density measurement device
DE10316117B3 (en) * 2003-04-04 2004-04-29 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Device for measuring local current/heat distribution on electrochemical electrode has current flow direction to resistance element transverse to current flow direction to current conducting element

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5504471A (en) * 1993-09-16 1996-04-02 Hewlett-Packard Company Passively-multiplexed resistor array
WO2003071258A1 (en) * 2002-02-22 2003-08-28 Cantion A/S Sensor comprising an array of piezoresistors

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of WO2005096001A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102004014114A1 (en) 2005-10-20
WO2005096001A1 (en) 2005-10-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102005046423B4 (en) Current sensor arrangement and a fuel cell stack with integrated current sensors
DE10392974B4 (en) Sensor arrangement for the local power and temperature distribution for a fuel cell
DE10083954B4 (en) Membrane electrode assembly with embedded sensors, fuel cell assembly, method of operating a fuel cell assembly, and method of monitoring the individual fuel cells
EP1646101B1 (en) Method of monitoring the operational state of a fuel cell stack
DE60217138T2 (en) ELECTRICAL CONTACT DEVICE FOR A FUEL CELL
DE112007000666T5 (en) Apparatus and method for monitoring the internal condition of a fuel cell
DE112005002361T5 (en) Electrical loss detection apparatus and method for detecting electrical loss for a fuel cell
EP1580564B1 (en) Method of determination of current density distribution in fuel cells
EP1728082A1 (en) Device for determining the distribution of current density in fuel cells
DE102012104790B4 (en) System and method for monitoring cell voltages of fuel cells in a fuel cell stack
EP2017630A2 (en) Measuring device and method for calculating the electric potential and/or current density of an electrode
DE102020213631A1 (en) DEVICE AND METHOD FOR MEASURING A VOLTAGE AND AVERAGE POWER OF A FUEL CELL
DE10151601A1 (en) Gas distribution element, especially for fuel cell system, has integral measurement board with segments via which local current distribution can be measured, current tapping elements
DE10244410A1 (en) Elastomeric connector for a cell voltage monitoring unit of a fuel cell stack
EP3612664A1 (en) Electrochemical device, functional element, and method for manufacturing same
DE102007015737B4 (en) METHOD FOR DETERMINING A FAILURE OF AN ELECTRICAL CONNECTION IN A FUEL CELL STACK AND FUEL CELL SYSTEM
DE102005026244B4 (en) Fuel cell stack and switching arrangement for a fuel cell stack
DE102012104145B4 (en) A method of providing a calibration reference voltage and index synchronization sequence for a cell voltage measurement system
DE10213478A1 (en) Monitoring and control of electrochemical reactions in electrochemical cell, uses electrode that is sub-divided into small individually isolated electrode sections and are supplied by integrated circuit constant current or voltage sources
EP1525634A2 (en) Bipolar plate for a fuel cell
WO2022135784A1 (en) Method and electrical contacting for cell monitoring
DE102018003703A1 (en) Electrochemical storage cell
EP2075865B1 (en) Defect control for one or more electrical operating elements
DE102011107182B4 (en) Device for monitoring fuel cells in fuel cell groups of a fuel cell stack
DE102021200882A1 (en) Method and electrical contacting for cell monitoring

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20060901

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LI LT LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: DOHLE, HENDRIK

Inventor name: GHOSH, PRAKASH CHANDRA 53 BIBIGANJ ROAD

Inventor name: MERGEL, JUERGEN

Inventor name: WUESTER, THORSTEN

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
17Q First examination report despatched

Effective date: 20100118

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R003

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN REFUSED

18R Application refused

Effective date: 20130308