WO2024115222A1 - Testsystem, luftgemischleitung und gaskontrolleinheit - Google Patents

Testsystem, luftgemischleitung und gaskontrolleinheit Download PDF

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WO2024115222A1
WO2024115222A1 PCT/EP2023/082694 EP2023082694W WO2024115222A1 WO 2024115222 A1 WO2024115222 A1 WO 2024115222A1 EP 2023082694 W EP2023082694 W EP 2023082694W WO 2024115222 A1 WO2024115222 A1 WO 2024115222A1
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WO
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gas
test
layer
line
control unit
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/082694
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jean-Claude Njodzefon
Petra Wagner
Sebastian Dierickx
Thomas Hupfer
Kevin Widmann
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes

Definitions

  • a test system for characterizing solid oxide cells preferably at temperatures from 500°C to 850°C, with at least one gas control unit for forming a uniform fuel gas mixture for the solid oxide cells, with at least one fuel gas mixture line, with at least one hydrogen gas line, and in particular with at least one oxygen gas line, wherein the at least one gas control unit has at least three stack layers, at least one hydration unit which is designed to humidify the uniform gas mixture, which is in particular directly connected in a gas-conducting manner to the at least one hydrogen gas line and/or to the at least one oxygen gas line, and which is arranged in a hydration layer of the at least three stack layers, at least one mixing chamber which is directly connected in a gas-conducting manner to the fuel gas mixture line and the hydration unit, which is designed to form the uniform gas mixture and which is arranged in a mixing layer of the at least three stack layers, and at least one test station for a solid oxide cell which is arranged on a test layer of the at least three stack layers, has already been proposed.
  • the invention is based on a test system for characterizing solid oxide cells, preferably at temperatures from 500°C to 850°C, with at least one gas control unit for forming a uniform fuel gas mixture for the solid oxide cells, with at least one fuel gas mixture line, with at least one hydrogen gas line, and in particular with at least one oxygen gas line, wherein the at least one gas control unit has at least three stack layers, at least one hydration unit which is designed to humidify the uniform gas mixture, which is in particular directly connected in a gas-conducting manner to the at least one hydrogen gas line and/or to the at least one oxygen gas line, and which is arranged in a hydration layer of the at least three stack layers, at least one mixing chamber which is directly connected in a gas-conducting manner to the fuel gas mixture line and the hydration unit, which is designed to form the uniform gas mixture and which is arranged in a mixing layer of the at least three stack layers, and at least one test station for a solid oxide cell which is arranged on a test layer of the at least three
  • the gas control unit has at least one further test station for at least one further solid oxide cell, which is arranged on the test layer.
  • the test system is preferably designed to characterize, in particular simultaneously and/or staggered, solid oxide cells of the same type and of different types, wherein in particular at least two solid oxide cells can be accommodated in the test system at the same time.
  • Individual or all of the solid oxide cells can be designed, for example, as anode-supported, metal-supported, cathode-supported and/or electrolyte-supported solid oxide cells.
  • the test system is preferably designed to characterize at least two solid oxide cells at the same time.
  • a solid oxide cell can be designed, for example, as a solid oxide fuel cell or solid oxide electrolysis cell.
  • the solid oxide cell is preferably designed to convert chemical energy, in particular a fuel gas, such as natural gas, into electrical energy, preferably at temperatures of 450°C to 850°C, particularly preferably at temperatures from 500°C to 850°C.
  • the solid oxide cells in particular at least one solid oxide cell, preferably have a gas-tight electrolyte that is permeable to oxygen ions.
  • the solid oxide cells, in particular at least one solid oxide cell have at least one multilayer electrode, in particular anode and/or cathode.
  • the test system is designed to characterize Solid oxide cells are designed in a temperature range of 500°C to 850°C.
  • the test system can be designed to characterize solid oxide cells in a temperature range of 650°C to 850°C free of a catalyst.
  • the test system can comprise at least one gas supply unit.
  • the gas supply unit can be assigned the at least one fuel gas mixture line, the at least one hydrogen gas line and/or the at least one oxygen gas line.
  • the fuel gas mixture line is preferably designed to supply a fuel gas mixture with carbon monoxide, carbon dioxide, methane, water vapor, hydrogen, nitrogen, methanol, diesel reformate and/or argon components to the gas control unit, in particular to the mixing chamber.
  • the fuel gas mixture line is preferably designed to supply a fuel gas mixture with at least carbon monoxide, at least carbon dioxide and at least methane components, in particular with water vapor, to the gas control unit, in particular to the mixing chamber.
  • the hydrogen gas line is preferably designed to supply hydrogen, in particular with water vapor, to the gas control unit, preferably to the hydration unit and/or in particular to the mixing chamber.
  • the oxygen gas line is designed to supply oxygen, in particular with water vapor, to the gas control unit, preferably to the hydration unit and/or in particular to the mixing chamber.
  • the gas control unit is preferably made of a ceramic, preferably a solid ceramic, in particular an oxide ceramic, such as preferably aluminum oxide or also silicon nitride, aluminum nitride, zirconium oxide and/or silicon carbide.
  • the stack layers of the gas control unit are preferably made of a ceramic, in particular an oxide ceramic, such as preferably aluminum oxide or also silicon nitride, aluminum nitride, zirconium oxide and/or silicon carbide.
  • the hydration unit can comprise at least one bubbler, in particular at least one vapor pressure saturator, at least one evaporator or at least one reaction chamber.
  • the at least one evaporator and/or the at least one bubbler can be integrated into at least one of the at least one
  • the hydration unit can be designed to be integrated into the fuel gas mixture line, the at least one hydrogen gas line and/or the at least one oxygen gas line.
  • the hydration unit preferably has at least one reaction chamber, in particular for a reaction of hydrogen and oxygen.
  • the hydration unit, in particular the reaction chamber is preferably connected in a direct gas-conducting manner to the at least one hydrogen gas line and to the at least one oxygen gas line.
  • the hydration unit in particular the reaction chamber, is preferably connected in a direct gas-conducting manner to the mixing chamber, in particular on a different side than the at least one hydrogen gas line and/or the at least one oxygen gas line is/are connected to the hydration unit, in particular the reaction chamber.
  • the hydration unit preferably comprises at least one catalyst, preferably at least one precious metal catalyst.
  • the at least one catalyst is preferably arranged in the at least one reaction chamber to catalyze the reaction of hydrogen and oxygen.
  • the hydration unit is preferably arranged in the gas control unit.
  • the hydration unit is preferably arranged in exactly one stack layer, in particular the hydration layer, of the gas control unit.
  • the hydration layer is preferably designed differently from the mixed layer.
  • the hydration layer is preferably designed differently from the test layer.
  • the hydration layer and the mixed layer are preferably directly adjacent stack layers of the gas control unit.
  • the hydration layer is preferably arranged on a side of the mixed layer facing away from the test layer.
  • the test layer preferably forms a penultimate layer of the gas control unit in the stack direction, in particular on a test side of the mixed layer.
  • the stack direction is preferably aligned at least substantially perpendicular to the largest outer surfaces of the individual stack layers.
  • the expression "substantially perpendicular” is intended here to define in particular an alignment of a direction relative to a reference direction, wherein the direction and the reference direction, in particular viewed in a projection plane, enclose an angle of 90° and the angle has a maximum deviation of in particular less than 8°, advantageously less than 5° and particularly advantageously less than 2°.
  • the hydration layer forms a penultimate layer of the gas control unit in the stacking direction, in particular on a hydration side of the mixed layer.
  • the mixed layer is arranged between the hydration layer and the test layer.
  • the hydration unit is separated from the at least one layer in relation to a gas flow.
  • the test layer and the mixing layer are arranged spaced apart from one another by at least one stack layer.
  • adjacent stack layers are connected to one another.
  • Individual stack layers can be connected to one another in a gas-tight manner by strips that are at least 2 mm, preferably at least 5 mm, wide, in particular within a sealing area defined by the strips, preferably gold strips, or for example mica strips, glass strips and/or glass ceramic strips.
  • Individual stack layers can be connected to one another in a gas-tight manner by strips, preferably 100-500 pm thick, preferably gold strips, or for example mica strips, glass strips and/or glass ceramic strips, in particular within a sealing area defined by the strips.
  • the design of the test system according to the invention makes it possible to achieve an advantageously uniform fuel gas mixture for uniform characterization of at least two solid oxide cells simultaneously under the same conditions.
  • data sets on characteristics of the solid oxide cells can be measured more quickly and more uniformly.
  • Reliable data sets can be achieved, in particular for solid oxide cells that were measured under advantageously the same conditions.
  • uniform test conditions can be achieved, which advantageously enable comparable data sets for solid oxide cells.
  • An advantageously uniformly humidified fuel gas mixture can be achieved.
  • An advantageous environmental standard can be achieved by simultaneously measuring several solid oxide cells.
  • the test system has an exhaust line for discharging exhaust gas from the at least one test station and the at least one further test station, wherein the at least one exhaust line is arranged at least in sections in at least one layer different from the test layer.
  • the at least one exhaust line is arranged at least in sections in the at least one mixed layer.
  • the at least one exhaust line is arranged at least in sections in the at least one hydration layer.
  • the at least one exhaust line extends through the at least one mixed layer, in particular along the stack direction.
  • the at least one exhaust line extends through the at least one hydration layer, in particular along the stack direction.
  • the at least one exhaust line is arranged at a distance from the at least one test layer.
  • the at least one exhaust line is arranged at a distance from the mixing chamber in the mixed layer.
  • the at least one exhaust line is arranged at a distance from the reaction chamber in the hydration layer.
  • the at least one exhaust line is designed to discharge exhaust gas from the at least one test station and from the at least one further test station.
  • the at least one test station and the at least one further test station are arranged at the same distance from the mixing chamber, at least with respect to a gas path from the mixing chamber to the respective test stations.
  • all test stations are arranged at the same distance from the mixing chamber with respect to a gas path from the mixing chamber to the respective test stations.
  • all test stations are arranged symmetrically to one another on the test layer around a gas outlet from the mixing chamber.
  • the mixing chamber has the gas outlet.
  • the gas outlet is arranged centrally on an outside of the mixing chamber facing the test layer.
  • a gas path from the mixing chamber, in particular from the gas outlet of the mixing chamber, to each test station is of the same length.
  • a gas path from the mixing chamber, in particular from the gas outlet of the mixing chamber, to each test station is of the same shape.
  • An advantageously uniform supply of the uniform gas mixture to the test stations can be achieved.
  • the gas control unit has at least one, preferably at least two, additional test stations arranged on the test layer.
  • all test stations are designed the same, in particular shaped.
  • the at least one test station is designed analogously to the at least one further test station.
  • the at least one additional test station is designed analogously to the at least one test station and/or to the at least one further test station.
  • each test station has a gas inlet which, with respect to a gas path from the mixing chamber, is arranged the same distance from the at least one mixing chamber, in particular from the gas outlet of the at least one mixing chamber.
  • Advantageously cost-effective characterization of solid oxide cells can be achieved.
  • Advantageous reliable statistics can be obtained from measurements on solid oxide cells.
  • the gas control unit has at least one further stack layer, in particular a supply gas distribution layer, which is arranged between the mixing layer and the test layer and which delimits a supply gas line which connects the at least one test station and the at least one further test station equidistantly with the at least one mixing chamber, at least with respect to a gas path.
  • the at least one supply gas distribution layer is arranged between the at least one mixing layer and the at least one test layer.
  • the at least one supply gas distribution layer is arranged directly adjacent to the mixing layer.
  • the at least one supply gas distribution layer is arranged at a distance from the test layer by at least one stack layer, in particular an exhaust gas collector layer.
  • the at least one supply gas distribution layer can be arranged directly adjacent to the at least one test layer.
  • the at least one supply gas distribution layer can be arranged at a distance from the mixing layer by at least one stack layer, in particular an exhaust gas collector layer.
  • the gas outlet of the mixing chamber is connected to the supply gas distribution layer, in particular to the supply gas line, in a gas-conducting manner.
  • the supply gas line is formed in a symmetrical shape around a central supply gas connector recess for a uniform connection of the test stations with the mixing chamber with respect to the gas path from the mixing chamber to the test stations.
  • the supply gas line is connected to the mixing chamber at the supply gas connector recess. connected, in particular by a straight gas line.
  • the gas control unit has at least one further stack layer, in particular an exhaust gas collector layer, in particular the one already mentioned, which is arranged between the mixed layer and the test layer and which delimits an exhaust gas partial line which connects the at least one test station and the at least one further test station equidistantly with the at least one exhaust gas line, at least with respect to a gas path.
  • the at least one exhaust gas collector layer is arranged between the at least one mixed layer and the at least one test layer.
  • the at least one exhaust gas collector layer is arranged directly adjacent to the test layer.
  • the at least one exhaust gas collector layer is arranged at a distance from the mixed layer by at least one stack layer, in particular the at least one gas distribution layer.
  • the at least one exhaust gas collector layer can be arranged directly adjacent to the at least one mixed layer.
  • the at least one exhaust gas collector layer can be arranged at a distance from the test layer by at least one stack layer, in particular the at least one gas distribution layer.
  • the at least one exhaust gas line is connected to the exhaust gas collector layer, in particular to the exhaust gas partial line, in a gas-conducting manner.
  • the exhaust gas partial line is designed in a symmetrical shape around a central exhaust gas connector recess for a uniform connection of the test stations to the exhaust gas line in relation to the gas path and/or an effective gas path, in particular a combination of the length of the gas path and the geometry of the gas path, from the test stations to the exhaust gas line.
  • the exhaust gas partial line is connected to the test stations at exhaust gas recesses spaced from the exhaust gas connector recess, in particular by a straight gas line.
  • An advantageously uniform discharge of exhaust gas from the test stations can be achieved.
  • an advantageously uniform temperature control of the exhaust gas can be achieved, whereby in particular backflow effects can be advantageously reduced.
  • the gas control unit has at least one further stack layer, in particular a gas distribution layer, which is arranged between the mixing layer and the test layer and which delimits a supply gas line which connects the at least one test station and the at least one further test station equidistantly with the at least one mixing chamber at least with respect to a gas path and which delimits an exhaust gas partial line which connects the at least one test station and the at least one further test station equidistantly with the at least one exhaust gas line at least with respect to a gas path.
  • the gas distribution layer is preferably designed as a one-piece variant of the exhaust gas collector layer with the supply gas distribution layer.
  • One-piece is to be understood in particular as formed in one piece, wherein the one piece is preferably made from a single blank, a mass and/or a cast, preferably from a single solid material in a milling process and/or sintering process.
  • the supply gas line can be delimited by the gas distribution layer at a different height, in particular with respect to the stacking direction, than the exhaust gas partial line.
  • the supply gas line can be limited at the same height, in particular in relation to the stacking direction, by the gas distribution layer as the exhaust gas partial line.
  • the supply gas line and the exhaust gas line are preferably arranged at a distance from one another by at least 5 mm of material of the gas distribution layer.
  • the supply gas distribution layer and/or the exhaust gas collector layer can be formed in one piece with the test layer.
  • the test system has at least one air mixture line for supplying the at least one test station and the at least one further test station with an air mixture, which has at least one common rail unit for uniformly supplying the at least one test station and the at least one further test station with the air mixture.
  • the air mixture line is preferably arranged completely outside the gas control unit.
  • the air mixture is preferably at a pressure of at least 1.5 bar.
  • the air mixture is preferably at a pressure between 1.5 bar and 5 bar.
  • the common rail unit preferably has at least one high-pressure pump.
  • the high-pressure pump can be actively pressure-controlled.
  • the common rail unit can have at least one pressure control valve.
  • the air mixture is preferably designed as a mixture of at least nitrogen and at least oxygen.
  • the test system has at least one gas supply unit for directly supplying the at least one test station and/or the at least one further test station with an air mixture, in particular a cathode gas.
  • the common rail unit is preferably connected to the individual test stations by gas lines.
  • a separate cathode gas supply to be provided for each test station.
  • the at least one gas supply unit is arranged in particular between one of the gas lines and the individual test stations.
  • the gas supply unit is provided in particular for directly distributing an air mixture, in particular a cathode gas and/or oxidizing agent gas, over a gas diffusion layer and/or a catalyst surface of one of the test stations.
  • the at least one gas supply unit has at least one gas channel for guiding the air mixture, in particular the cathode gas, which extends essentially perpendicular to a stacking direction of the gas control unit.
  • the gas channel extends in particular in a base body of the gas supply unit.
  • the at least one gas supply unit has a flow field element which is intended to flow the air mixture, in particular cathode gas, in a defined cathode gas flow direction parallel to the main extension plane of the test stations past the at least one test station and/or the at least one further test station.
  • the flow field element is in particular intended to supply an appropriate amount of cathode gas to a gas diffusion layer and/or a catalyst surface of one of the test stations and at the same time to minimize the pressure drop.
  • the flow field element in particular forms a channel structure for guiding the cathode gas.
  • Various channel configurations that appear sensible to a person skilled in the art are conceivable, such as serpentine, parallel and interlocking channel configurations.
  • the at least one flow field element has a radially outer inlet side and an outlet side, which is arranged on a side of the flow field element opposite the inlet side.
  • This preferably results in two defined flow variants, namely a counter-flow flow variant and a co-flow flow variant.
  • the co-flow flow variant the anode gas and the cathode gas both flow in the same direction over the test station.
  • the cathode gas flow direction and the anode gas flow direction are therefore parallel and in the same direction.
  • the counter-flow flow variant the anode gas and the cathode gas flow in opposite directions over the test station.
  • the cathode gas flow direction and the anode gas flow direction are therefore parallel and opposite, in particular anti-parallel.
  • an air mixture line of a test system according to the invention is proposed.
  • An advantageous compatibility of the air mixture line to the gas control unit can be achieved.
  • an advantageous interchangeability of air mixture lines can be achieved.
  • the at least one gas control unit for forming a uniform fuel gas mixture for the solid oxide cells, with at least one fuel gas mixture line, with at least one hydrogen gas line and with at least one oxygen gas line, wherein the at least one gas control unit has at least three stack layers, at least one hydration unit, which is directly connected in a gas-conducting manner to the at least one hydrogen gas line and/or to the at least one oxygen gas line for humidifying the uniform gas mixture and which is arranged in a hydration layer of the at least three stack layers, at least one mixing chamber which is directly connected in a gas-conducting manner to the fuel gas mixture line and the hydration unit, which is designed to form the uniform gas mixture and which is arranged in a mixing layer of the at least three stack layers, and at least one test station for a solid oxide cell which is arranged on a test layer of the at least three stack layers, it is also proposed that the at least one hydration unit, which is directly connected in a gas-conducting manner to the fuel gas mixture line and/ the
  • the catalyst is preferably designed as a platinum catalyst, in particular in the form of at least one lattice.
  • the catalyst is preferably made at least partially, preferably at least for the most part, from platinum.
  • the test system has an exhaust line for discharging exhaust gas from the at least one test station, wherein the at least one exhaust line is arranged at least in sections in at least one stack layer of the at least three stack layers that is different from the test layer.
  • the at least one exhaust line can be the same as the exhaust line already mentioned.
  • the at least one exhaust line is designed to discharging exhaust gas at least from the at least one test station.
  • An exhaust line with an advantageously uniform temperature can be achieved.
  • risks of unfavorable exhaust gas flows can be advantageously reduced. Uniform test conditions can advantageously be achieved for all test stations.
  • gas control unit of a test system is proposed.
  • Improved availability of gas control units can be achieved, in particular for measuring several solid oxide cells simultaneously.
  • An advantageously short production time, in particular delivery time, of gas control units can be achieved, in particular for measuring several solid oxide cells simultaneously.
  • Advantageously standardized gas control units can be achieved, which in particular advantageously make comparable measuring conditions achievable.
  • Advantageously standardized measuring conditions can be achieved.
  • advantageously reliable, in particular comparable, data sets from different gas control units can be achieved.
  • An advantageously high safety standard for gas control units can be achieved.
  • test system(s) according to the invention, the air mixture line according to the invention and/or the gas control unit according to the invention should not be limited to the application and embodiment described above.
  • the test system according to the invention, the air mixture line according to the invention and/or the gas control unit according to the invention can have a number of individual elements, components and units that differs from the number stated herein in order to fulfill a function described herein.
  • values within the stated limits are also to be considered disclosed and can be used as desired.
  • Fig. 1 shows a test system according to the invention with a gas control unit according to the invention and an air mixture line according to the invention in a schematic representation
  • FIG. 2 the gas control unit according to the invention in a schematic partially transparent representation
  • Fig. 3 shows a part of the gas control unit according to the invention in a schematic representation
  • Fig. 4 shows a part of the gas control unit according to the invention in a schematic representation
  • Fig. 5 shows a part of the gas control unit according to the invention in a schematic representation
  • FIG. 6 the air mixture line according to the invention in a schematic representation
  • Fig. 7 shows a part of an alternative gas control unit according to the invention of an alternative test system in a schematic representation
  • Fig. 8 shows a partial section of another alternative test system according to the invention with a gas control unit according to the invention and an air mixture line according to the invention comprising a gas supply unit in a schematic representation
  • Fig. 9 shows a partial section of the further alternative test system according to the invention with the gas control unit according to the invention and the air mixture line according to the invention comprising two gas supply units in a schematic representation.
  • Figure 1 shows a test system 10a.
  • the test system 10a is designed to characterize solid oxide cells.
  • the test system 10a is designed to characterize solid oxide cells at temperatures from 500°C to 850°C.
  • the test system 10a can be designed to characterize solid oxide cells at temperatures from 650°C to 850°C, in particular free of a catalyst 44a.
  • the test system 10a has a gas control unit 12a.
  • the gas control unit 12a is designed to form a uniform fuel gas mixture for the solid oxide cells.
  • the test system 10a has a furnace 14a.
  • the gas control unit 12a is arranged in the furnace 14a.
  • the test system 10a has a fuel gas mixture line 16a.
  • the test system 10a has a hydrogen gas line 18a.
  • the test system 10a has an oxygen gas line 20a.
  • the gas control unit 12a comprises, for example, seven stack layers 22a.
  • the gas control unit 12a comprises a hydration unit 24a.
  • the hydration unit 24a is designed to humidify the uniform gas mixture.
  • the hydration unit 24a is directly gas-conducting with the at least one hydrogen gas line 18a and with the at least one Oxygen gas line 20a.
  • the hydration unit 24a is arranged in a hydration layer 26a of the seven stack layers 22a
  • the gas control unit 12a comprises a mixing chamber 28a.
  • the mixing chamber 28a is directly connected to the fuel gas mixture line 16a in a gas-conducting manner.
  • the mixing chamber 28a is directly connected to the hydration unit 24a in a gas-conducting manner.
  • the mixing chamber 28a is designed to form the uniform gas mixture.
  • the mixing chamber 28a is arranged in a mixing layer 30a of the seven stack layers 22a.
  • the gas control unit 12a comprises a test station 32a, 36a, 38a, 38'a.
  • the test station 32a, 36a, 38a, 38'a is designed for a solid oxide cell.
  • the test station 32a, 36a, 38a, 38'a is arranged on a test layer 34a of the seven stack layers 22a.
  • the gas control unit 12a comprises at least one further test station 32a, 36a, 38a, 38'a.
  • the further test station 32a, 36a, 38a, 38a' is designed for a solid oxide cell.
  • the further test station 32a, 36a, 38a, 38a' is arranged on the test layer 34a of the seven stack layers 22a.
  • the gas control unit 12a comprises two additional test stations 32a, 36a, 38a, 38'a.
  • the additional test stations 32a, 36a, 38a, 38'a are each designed for a solid oxide cell.
  • the test station 32a, 36a, 38a, 38a' is designed analogously to the other test station 32a, 36a, 38a, 38a'.
  • the additional test stations 38a, 38'a are designed analogously to the test station 32a, 36a, 38a, 38a' and to the other test station 32a, 36a, 38a, 38a'.
  • Each test station 32a, 36a, 38a, 38'a has a gas inlet 40a (see Fig. 2).
  • the gas inlets 40a are arranged with respect to a gas path from the mixing chamber 28a, equidistant from the at least one mixing chamber 28a, in particular from a gas outlet 54a of the mixing chamber 28a.
  • Each test station 32a, 36a, 38a, 38'a has a gas outlet 41a.
  • the test system 10a is designed for simultaneous and staggered characterization of similar and different types of solid oxide cells. Individual or all of the solid oxide cells can be designed, for example, as anode-supported, metal-supported, cathode-supported and/or electrolyte-supported solid oxide cells.
  • the test system 10a is designed to characterize up to four solid oxide cells simultaneously.
  • a solid oxide cell can be designed, for example, as a solid oxide fuel cell or a solid oxide electrolysis cell.
  • the test system 10a is designed to characterize solid oxide cells in a temperature range of 500°C to 850°C.
  • the fuel gas mixture line 16a is designed to supply a fuel gas mixture with at least carbon monoxide, at least carbon dioxide and at least methane components to the gas control unit 12a, in particular to the mixing chamber 28a.
  • the hydrogen gas line 18a is designed to supply hydrogen to the gas control unit 12a, in particular to the hydration unit 24a.
  • the oxygen gas line 20a is designed to supply oxygen to the gas control unit 12a, in particular to the hydration unit 24a.
  • the gas control unit 12a is made of a ceramic, preferably a solid ceramic, in particular an oxide ceramic, such as aluminum oxide.
  • the stack layers 22a of the gas control unit 12a are preferably made of the ceramic, in particular the oxide ceramic, such as aluminum oxide.
  • the hydration unit 24a has a reaction chamber 42a, in particular for a reaction of hydrogen and oxygen.
  • the reaction chamber 42a is directly connected in a gas-conducting manner to the at least one hydrogen gas line 18a and to the at least one oxygen gas line 20a.
  • the hydration unit 24a in particular the reaction chamber 42a, is directly connected to the mixing chamber 28a in a gas-conducting manner, in particular on a different side than the at least one hydrogen gas line 18a and/or the at least one oxygen gas line 20a is/are connected to the hydration unit 24a, in particular the reaction chamber 42a.
  • the hydration unit 24a comprises a catalyst 44a, in particular a noble metal catalyst.
  • the catalyst 44a is arranged in the reaction chamber 42a to catalyze the reaction of hydrogen and oxygen.
  • the hydration unit 24a is arranged in the gas control unit 12a.
  • the hydration unit 24a is arranged in a precise stack layer 22a, in particular in the hydration layer 26a, of the gas control unit 12a.
  • the catalyst 44a is designed as a platinum catalyst, in particular in the form of at least one grid.
  • the hydration layer 26a is designed differently from the mixed layer 30a.
  • the hydration layer 26a is designed differently from the test layer 34a.
  • the hydration layer 26a and the mixed layer 30a are directly adjacent stack layers 22a of the gas control unit 12a.
  • the hydration layer 26a is arranged on a side of the mixed layer 30a facing away from the test layer 34a.
  • the test layer 34a is a penultimate layer of the gas control unit 12a in the stacking direction 48a, in particular on a test side 46a of the mixed layer 30a.
  • the stacking direction 48a is aligned perpendicular to the largest outer surfaces of the individual stack layers 22a.
  • the hydration layer 26a is a penultimate layer of the gas control unit 12a in the stacking direction 48a, in particular on a hydration side 50a of the mixed layer 30a.
  • the test layer 34a and the mixed layer 30a are arranged spaced apart from one another by at least one stack layer 22a.
  • the hydration side 50a of the mixed layer 30a is a side of the mixed layer 30a facing the hydrogen gas line 18a, the fuel gas mixture line 16a and the oxygen gas line 20a.
  • the test side 46a of the mixed layer 30a is a side of the mixed layer 30a facing away from the hydrogen gas line 18a, the fuel gas mixture line 16a and the oxygen gas line 20a.
  • the mixed layer 30a is arranged between the hydration layer 26a and the test layer 34a.
  • the hydration unit 24a is arranged upstream of the mixing chamber 28a with respect to a gas flow from the fuel gas mixture line 16a, the hydrogen gas line 18a and the oxygen gas line 20a to the mixing chamber 28a.
  • the hydration unit 24a is connected to the hydrogen gas line 18a and the oxygen gas line 20a with respect to a gas flow from the fuel gas mixture line 16a, the hydrogen gas line 18a and the oxygen gas line 20a to the mixing chamber 28a.
  • Adjacent stack layers 22a are connected to one another. Individual stack layers 22a are connected to one another in a gas-tight manner by gold strips 88a that are at least 100 ⁇ m thick, in particular a maximum of 500 ⁇ m thick, in particular within a sealing region 86a defined by the gold strips 88a. Individual stack layers 22a are connected to one another in a gas-tight manner by gold strips 88a that are at least 2 mm wide, in particular within a sealing region 86a defined by the gold strips 88a.
  • the test system 10a has an exhaust line 52a for discharging exhaust gas from the test station 32a, 36a, 38a, 38a’, the further test station 32a, 36a, 38a, 38a’ and the additional test stations 32a, 36a, 38a, 38a’ (see Fig. 2).
  • the exhaust line 52a is arranged in sections in at least one stack layer 22a of the seven stack layers 22a that is different from the test layer 34a.
  • the exhaust line 52a is arranged in sections in the mixed layer 30a.
  • the exhaust line 52a is arranged in sections in the at least one hydration layer 26a.
  • the exhaust line 52a extends through the mixed layer 30a, in particular along the stacking direction 48a.
  • the exhaust line 52a extends through the at least one hydration layer 26a, in particular along the stacking direction 48a.
  • the exhaust line 52a is arranged at a distance from the at least one test layer 34a.
  • the exhaust line 52a is arranged at a distance from the mixing chamber 28a in the mixed layer 30a.
  • the exhaust line 52a is arranged at a distance from the reaction chamber 42a in the hydration layer 26a.
  • the exhaust line 52a is designed to exhaust gas from the test station 32a, 36a, 38a, 38a', from the further test station 32a, 36a, 38a, 38a' and from the additional test stations 32a, 36a, 38a, 38a'.
  • the test station 32a, 36a, 38a, 38a', the further test station 32a, 36a, 38a, 38a' and the additional test stations 32a, 36a, 38a, 38a' are arranged equidistant from the mixing chamber 28a with respect to a gas path from the mixing chamber 28a to the respective test stations 32a, 36a, 38a, 38'a.
  • All test stations 32a, 36a, 38a, 38'a are arranged at the same distance from the mixing chamber 28a in relation to a gas path from the mixing chamber 28a to the respective test stations 32a, 36a, 38a, 38'a. All test stations 32a, 36a, 38a, 38'a are arranged symmetrically to one another on the test layer 34a around a gas outlet 54a from the mixing chamber 28a.
  • the mixing chamber 28a preferably has the gas outlet 54a.
  • the gas outlet 54a is arranged centrally on an outside of the mixing chamber 28a facing the test layer 34a.
  • a gas path from the mixing chamber 28a, in particular from the gas outlet 54a of the mixing chamber 28a, to each test station 32a, 36a, 38a, 38'a is of the same length.
  • the gas path from the mixing chamber 28a, in particular from the gas outlet 54a of the mixing chamber 28a, to each test station 32a, 36a, 38a, 38'a is of the same shape (cf. Fig. 4).
  • the gas control unit 12a has at least one further stack layer 22a, in particular a supply gas distribution layer 56a (see Fig. 4).
  • the supply gas distribution layer 56a is arranged between the mixing layer 30a and the test layer 34a.
  • the supply gas distribution layer 56a delimits a supply gas line 58a.
  • the supply gas line 58a connects the test stations 32a, 36a, 38a, 38'a equidistantly with respect to a gas path to the at least one mixing chamber 28a.
  • the supply gas distribution layer 56a is arranged directly adjacent to the mixing layer 30a.
  • the supply gas distribution layer 56a is arranged at a distance from the test layer 34a by at least one stack layer 22a, in particular an exhaust gas collector layer 66a.
  • the gas outlet 54a of the mixing chamber 28a is connected to the supply gas distribution layer 56a, in particular to the supply gas line 58a in a gas-conducting manner.
  • the supply gas line 58a is designed to be symmetrical around a central supply gas connector recess 60a for a uniform connection of the test stations 32a, 36a, 38a, 38a' to the mixing chamber 28a with respect to the gas path from the mixing chamber 28a to the test stations 32a, 36a, 38a, 38a'.
  • the supply gas line 58a is formed in an X-shape in the supply gas distribution layer 56a (cf. top view along the stacking direction 48a in Fig. 4).
  • the supply gas line 58a is connected to the mixing chamber 28a at the supply gas connector recess 60a, in particular by a straight gas line 62a running in the stacking direction 48a.
  • the supply gas line 58a is connected at ends spaced from the supply gas connector recess 60a to a test station 32a, 36a, 38a, 38'a, in particular by a straight gas line 64a running in the stacking direction 48a.
  • the supply gas line 58a is formed in the supply gas distribution layer 56a so as to be unlimited in a stacking direction 48a.
  • the supply gas line 58a is formed in the supply gas distribution layer 56a so as to be at least 95% limited in a stacking direction 48a.
  • the gas control unit 12a has a further stack layer 22a, in particular the exhaust gas collector layer 66a.
  • the exhaust gas collector layer 66a is arranged between the mixing layer 30a and the test layer 34a.
  • the exhaust gas collector layer 66a delimits an exhaust gas partial line 68a.
  • the exhaust gas partial line 68a connects the test stations 32a, 36a, 38a, 38a' equidistantly to the exhaust gas line 52a, at least with respect to a gas path.
  • the exhaust gas collector layer 66a is arranged between the mixed layer 30a and the test layer 34a.
  • the exhaust gas collector layer 66a is arranged directly adjacent to the test layer 34a.
  • the exhaust gas collector layer 66a is arranged at a distance from the mixed layer 30a by at least one stack layer 22a, in particular the at least one gas distribution layer 56a.
  • the exhaust gas line 52a is connected to the exhaust gas sub-line 68a in a gas-conducting manner.
  • the exhaust gas sub-line 68a is designed in a shape around a central exhaust gas connector recess 70a for a uniform connection of the test stations 32a, 36a, 38a, 38'a to the exhaust gas line 52a with respect to the gas path from the test stations 32a, 36a, 38a, 38'a to the exhaust gas line 52a (cf. top view along the stack direction 48a in Fig. 3).
  • the exhaust gas sub-line 68a is connected to the test stations 32a, 36a, 38a, 38’a at exhaust gas recesses 71a spaced from the exhaust gas connector recess 70a, in particular by a straight gas line 72a.
  • the test system 10a has an air mixture line 74a (see Fig. 1).
  • the air mixture line 74a is used to supply the test stations 32a, 36a, 38a, 38'a formed with an air mixture.
  • the air mixture line 74a has a common rail unit 76a.
  • the common rail unit 76a is designed to uniformly supply the test stations 32a, 36a, 38a, 38'a with the air mixture.
  • the air mixture line 74a is arranged completely outside the gas control unit 12a.
  • the air mixture is designed as a mixture of at least nitrogen and at least oxygen.
  • the common rail unit 76a is connected to the individual test stations 32a, 36a, 38a, 38'a by four gas lines 78a.
  • the gas control unit 12a has a base layer 80a for connecting a metallic furnace floor 84a to the gas control unit 12a.
  • the gas control unit 12a has a cover layer 82a for covering and maintaining the test stations 32a, 36a, 38a, 38'a at a defined temperature during a test procedure.
  • the exhaust line 52a extends through the mixing layer 30a, through the hydration layer 26a, through the base layer 80a, through the gas distribution layer 56a, and partially through the exhaust collector layer 66a, each in the stacking direction 48a.
  • Figure 2 shows in particular the gas control unit 12a in a partially transparent representation with only one of the test stations 32a, 36a, 38'a, 38'a for a better overview.
  • Figure 3 shows in particular the exhaust collector layer 66a in a view along the stacking direction 48a.
  • Figure 4 shows in particular the intake gas distribution layer 56a in a view along the stacking direction 48a.
  • the intake gas distribution layer 56a and the exhaust collector layer 66a are connected to the next stacking layer 22a on an open side of the exhaust gas partial line 68a and the intake gas line 58a by 5 mm thick gold strips 88a to form a gas-tight sealing area 86a defined within the gold strips 88a.
  • Figures 3 and 4 are shown schematically and not uniformly dimensioned and are only intended for understanding.
  • Figure 5 shows in particular the test layer 34a in a view along the stacking direction 48a with all four test stations 32a, 36a, 38a, 38'a in an exemplary arrangement.
  • Figure 6 shows in particular the common rail unit 76a in a view along the stacking direction 48a. The common rail unit 76a delimits an outer gas flow ring 90a for generating the uniform air mixture.
  • Figure 7 shows a further embodiment of the invention.
  • FIG. 7 shows an alternative test system 10b.
  • the test system 10b has a gas control unit 12b.
  • the gas control unit 12b has a stack layer 22b, in particular a gas distribution layer 92b.
  • the gas distribution layer 92b is designed as a one-piece variant of the exhaust gas collector layer 66a with the intake gas distribution layer 56a from the previous embodiment.
  • the gas distribution layer 92b is arranged between a mixing layer 30b and a test layer 34b.
  • the gas distribution layer 92b delimits a supply gas line 58b.
  • the supply gas line 58b connects four test stations 32b, 36b, 38b, 38b' equidistantly to a mixing chamber 28b, at least with respect to a gas path.
  • the gas distribution layer 92b delimits an exhaust gas partial line 68b.
  • the exhaust gas sub-line 68b connects the four test stations 32b, 36b, 38b, 38b' with respect to an effective gas path, in particular a combination of the length of the gas path and the geometry of the gas path, from the test stations 32b, 36b, 38b, 38b' to the exhaust gas line 52b equidistant from the exhaust gas line 52b.
  • the supply gas line 58b is delimited by the gas distribution layer 92b at the same height, in particular with respect to a stacking direction 48b, as the exhaust gas sub-line 68b.
  • the supply gas line 58b and the exhaust gas line 52b are arranged at a distance from one another by at least 5 mm of material of the gas distribution layer 92b.
  • the exhaust gas sub-line 68b is designed in a symmetrical shape around a central exhaust gas connector recess 70b for uniformly connecting the test stations 32b, 36b, 38b, 38b' to an exhaust gas line 52b with respect to an effective gas path, in particular a combination of the length of the gas path and the geometry of the gas path, from the test stations 32b, 36b, 38b, 38b' to the exhaust gas line 52b.
  • Figure 7 shows in particular the gas distribution layer 92b in a plan view along the stacking direction 48b.
  • Figure 8 shows a partial section of a test system 10c.
  • the test system 10c is designed to characterize solid oxide cells.
  • the test system 10c is designed to characterize solid oxide cells at temperatures from 500°C to 1000°C.
  • the test system 10c can be designed to characterize solid oxide cells at temperatures from 650°C to 1000°C, in particular free of a catalyst 44c.
  • the test system 10c has a gas control unit 12c.
  • the gas control unit 12c is designed to form a uniform fuel gas mixture, in particular an anode gas, for the solid oxide cells.
  • the gas control unit 12c here comprises, for example, seven stack layers 22c.
  • the gas control unit 12c comprises a test station 32c, 36c, 38c.
  • the test station 32c, 36c, 38c is designed for a solid oxide cell.
  • the test station 32c, 36c, 38c is arranged on a test layer 34c of the seven stack layers 22c.
  • the gas control unit 12c comprises at least one further test station 32c, 36c, 38c.
  • the further test station 32c, 36c, 38c is designed for a solid oxide cell.
  • the further test station 32c, 36c, 38c is arranged on the test layer 34c of the seven stack layers 22c.
  • the gas control unit 12c comprises two additional test stations 32c, 36c, 38c.
  • the additional test stations 32c, 36c, 38c are each designed for a solid oxide cell.
  • the additional test stations 32c, 36c, 38c are arranged on the test layer 34c of the seven stack layers 22c. All test stations 32c, 36c, 38c are designed the same, in particular shaped.
  • the test station 32c, 36c, 38c is designed analogously to the further test station 32c, 36c, 38c.
  • the additional test stations 38c are designed analogously to the test station 32c, 36c, 38c and to the further test station 32c, 36c, 38c.
  • Each test station 32c, 36c, 38c has a gas inlet 40c for the anode gas, in particular the fuel gas mixture (see Fig. 2).
  • the gas inlets 40c are arranged with respect to a gas path from a mixing chamber, equidistant from the at least one mixing chamber, in particular from a gas outlet of the mixing chamber.
  • Each test station 32c, 36c, 38c has a gas outlet 41c for the anode gas, in particular the fuel gas mixture.
  • the anode gas has a defined anode gas flow direction 94c in each of the test stations 32c, 36c, 38c.
  • the anode gas flow direction 94c runs parallel to a main extension plane 96c of the test stations 32c, 36c, 38c from the gas inlet 40c for the anode gas to the gas outlet 41c for the anode gas.
  • the test system 10c is designed for simultaneous and staggered characterization of similar and different types of solid oxide cells. Individual or all of the solid oxide cells can be designed, for example, as anode-supported, meta II-supported, cathode-supported, inert-supported and/or electrolyte-supported solid oxide cells.
  • the test system 10c is designed to characterize up to four solid oxide cells simultaneously.
  • a solid oxide cell can be designed, for example, as a solid oxide fuel cell or a solid oxide electrolysis cell.
  • the test system 10c is designed to characterize solid oxide cells in a temperature range of 500°C to 850°C.
  • the gas control unit 12c is made of a ceramic, preferably a solid ceramic, in particular an oxide ceramic, such as aluminum oxide.
  • the stack layers 22c of the gas control unit 12c are preferably made of the ceramic, in particular the oxide ceramic, such as aluminum oxide.
  • the test system 10c has an air mixture line 74c (see Fig. 1).
  • the air mixture line 74c is designed to supply the test stations 32c, 36c, 38c with an air mixture.
  • the air mixture line 74c has a common rail unit.
  • the common rail unit is designed to supply the Test stations 32c, 36c, 38c with the air mixture.
  • each test station 32c, 36c, 38c it would also be conceivable for each test station 32c, 36c, 38c to have its own air mixture supply, in particular cathode gas supply.
  • the air mixture line 74c is arranged completely outside the gas control unit 12c.
  • the air mixture is designed as a mixture of at least nitrogen and at least oxygen.
  • the air mixture line 74c is designed to supply the test stations 32c, 36c, 38c with a cathode gas.
  • the cathode gas is formed in particular from an oxidation gas.
  • the cathode gas is formed in particular from the air mixture.
  • the common rail unit is connected to the individual test stations 32c, 36c, 38c by four gas lines 78c.
  • the test system 10c has at least one gas supply unit 98c, 100c, which is arranged between the gas lines 78c and the individual test stations 32c, 36c, 38c.
  • the test system 10c comprises, for example, four gas supply units 98c, 100c, of which only two are shown as examples, which are each arranged between one of the gas lines 78c and one of the test stations 32c, 36c, 38c.
  • the gas supply units 98c, 100c form in particular a part of the air mixture line 74c.
  • the gas supply units 98c, 100c each have a base body 102c, 102'c.
  • the base bodies 102c, 102'c each delimit a gas channel 104c, 104'c, which is connected on the inlet side to one of the gas lines 78c.
  • the gas channels 104c, 104'c extend essentially perpendicular to a stacking direction 48c of the gas control unit 12c through the respective base body 102c, 102'c.
  • the gas channels 104c, 104'c extend in a radial outer region from below axially into the base body 102c, 102c', then radially inward from the radial outer region of the base bodies 102c, 102'c and each bend axially with a 90° bend in the direction of a test layer 34c.
  • the gas channels 104c, 104'c are additionally open to a radial outer side, in particular for reasons of manufacturability.
  • a corresponding opening must, as indicated in the figures, be closed before use, for example by glazing.
  • the base bodies 102c, 102'c each partially protrude radially beyond the gas control unit 12c, whereby a The inlet opening of the gas channels 104c, 104'c is each arranged radially next to the gas control unit 12c.
  • a gas distribution plate 106c, 106'c of the gas supply units 98c, 100c is arranged on the outlet side of the gas channels 104c, 104'c.
  • the gas supply units 98c, 100c each have a gas distribution plate 106c, 106c'.
  • the gas distribution plates 106c, 106c' are each provided to supply the cathode gas to one of the test stations 32c, 36c, 38c.
  • the gas distribution plates 106c, 106c' each have a recess which is arranged to cover one of the test stations 32c, 36c, 38c.
  • the gas distribution plates 106c, 106c' are each provided to guide the cathode gas from one of the gas channels 104c, 104'c into the recess.
  • a flow field element 108c, 108'c of the gas supply units 98c, 100c is arranged in the recess, which is provided to supply an appropriate amount of cathode gas to a gas diffusion layer and/or a catalyst surface of one of the test stations 32c, 36c, 38c and at the same time to minimize the pressure drop.
  • the gas supply units 98c, 100c each have a flow field element 108c, 108'c.
  • the flow field elements 108c, 108'c are each mounted in one of the recesses in an axially movable manner.
  • the base bodies 102c, 102'c each have a recess 110c, 110'c corresponding to one of the recesses, which is provided for additional guidance of one of the flow field elements 108c, 108'c.
  • the gas supply units 98c, 100c each have a plunger 112c, 112'c, which is provided for movement and/or a change in the pressure of one of the flow field elements 108c, 108'c.
  • the plungers 112c, 112'c are each movably mounted in the base body 102c, 102'c of the respective gas supply unit 98c, 100c.
  • the flow field elements 108c, 108'c each have an input side, which is arranged radially on a side facing the respective gas channel 104c, 104'c, and an output side, which is arranged on a side of the recess opposite the input side.
  • the cathode gas has a defined cathode gas flow direction 114c in each of the flow field elements 108c, 108'c.
  • the cathode gas flow direction 114c runs parallel to the main extension plane 96c of the test stations 32c, 36c, 38c. A cathode gas supply therefore takes place parallel to the active surface of the test stations 32c, 36c, 38c.
  • a counter-flow flow variant there are preferably two defined flow variants, namely a counter-flow flow variant and a co-flow flow variant.
  • the co-flow flow variant the anode gas and the cathode gas both flow in the same direction over the test station 32c, 36c, 38c.
  • the cathode gas flow direction 114c and the anode gas flow direction 94c therefore run parallel and in the same direction.
  • the co-flow flow variant is shown as an example in the first gas supply unit 98c in Figure 9.
  • the anode gas and the cathode gas flow in opposite directions over the test station 32c, 36c, 38c.
  • the cathode gas flow direction 114c and the anode gas flow direction 94c therefore run parallel and in opposite directions, in particular anti-parallel.
  • the co-flow variant is shown as an example in the second gas supply unit 100c in Figure 9. With these arrangements, temperature and concentration gradients can now be set and simulated across the test stations 32c, 36c, 38c and the gas conversion on the anode and cathode side can be determined precisely. This is helpful in the development of cell models and improves the transferability of the cell results to larger cells or stacks.
  • the structure also enables configurations with test stations 32c, 36c, 38c in the co-flow variant and simultaneously test stations 32c, 36c, 38c in the counter-flow variant, so that, for example, two of the four test stations 32c, 36c, 38c can be operated in co-flow and two in counter-flow within the same test.
  • This allows simulations of associated temperature and concentration gradients to be performed across test stations 32c, 36c, 38c, providing valuable comparative data for model development or validation for counter-flow or co-flow geometries.
  • This information can also be used to accurately calculate fuel and oxidizer gas conversion.
  • the gas supply units 98c, 100c are constructed on an aluminum oxide basis, which enables use in a wide range of furnace types. In particular, temperatures up to 1000 °C can be used without corrosion, e.g. in hinged door and hood furnaces.

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Testsystem (10a; 10b; 10c) zu einem Charakterisieren von Festoxidzellen, bevorzugt bei Temperaturen ab 500°C bis 850°C, mit zumindest einer Gaskontrolleinheit (12a; 12b; 12c) zu einem Ausbilden eines einheitlichen Brenngasgemischs für die Festoxidzellen, mit zumindest einer Brenngasgemischleitung (16a; 16b), mit zumindest einer Wasserstoffgasleitung (18a; 18b), und insbesondere mit zumindest einer Sauerstoffgasleitung (20a; 20b), wobei die zumindest eine Gaskontrolleinheit (12a; 12b; 12c) zumindest drei Stapelschichten (22a; 22b; 22c), zumindest eine Hydrationseinheit (24a; 24b), die zu einer Befeuchtung des einheitlichen Gasgemischs direkt gasleitend mit der zumindest einen Wasserstoffgasleitung (18a; 18b) und/oder mit der zumindest einen Sauerstoffgasleitung (20a; 20b) verbunden ist und die in einer Hydrationsschicht (26a; 26b) der zumindest drei Stapelschichten (22a; 22b; 22c) angeordnet ist, zumindest eine direkt gasleitend mit der Brenngasgemischleitung (16a; 16b) und der Hydrationseinheit (24a; 24b) verbundene Mischkammer (28a; 28b), die zu einem Ausbilden des einheitlichen Gasgemischs ausgebildet ist und die in einer Mischschicht (30a; 30b) der zumindest drei Stapelschichten (22a; 22b; 22c) angeordnet ist, und zumindest eine Teststation (32a, 36a, 38a, 38a'; 32b, 36b, 38b, 38b'; 32c, 36c, 38c) für eine Festoxidzelle, welche an einer Testschicht (34a; 34b; 34c) der zumindest drei Stapelschichten (22a; 22b; 22c) angeordnet ist, aufweist. Es wird vorgeschlagen, dass die Gaskontrolleinheit (12a; 12b; 12c) zumindest eine weitere Teststation (32a, 36a, 38a, 38a'; 32b, 36b, 38b, 38b'; 32c, 36c, 38c) für zumindest eine weitere Festoxidzelle aufweist, welche an der Testschicht (34a; 34b; 34c) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
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und Gaskontrolleinheit
Stand der Technik
Es ist bereits ein Testsystem zu einem Charakterisieren von Festoxidzellen, bevorzugt bei Temperaturen ab 500°C bis 850°C, mit zumindest einer Gaskontrolleinheit zu einem Ausbilden eines einheitlichen Brenngasgemischs für die Festoxidzellen, mit zumindest einer Brenngasgemischleitung, mit zumindest einer Wasserstoffgasleitung, und insbesondere mit zumindest einer Sauerstoffgasleitung, wobei die zumindest eine Gaskontrolleinheit zumindest drei Stapelschichten, zumindest eine Hydrationseinheit, die zu einer Befeuchtung des einheitlichen Gasgemischs ausgebildet ist, die insbesondere direkt gasleitend mit der zumindest einen Wasserstoffgasleitung und/oder mit der zumindest einen Sauerstoffgasleitung verbunden ist, und die in einer Hydrationsschicht der zumindest drei Stapelschichten angeordnet ist, zumindest eine direkt gasleitend mit der Brenngasgemischleitung und der Hydrationseinheit verbundene Mischkammer, die zu einem Ausbilden des einheitlichen Gasgemischs ausgebildet ist und die in einer Mischschicht der zumindest drei Stapelschichten angeordnet ist, und zumindest eine Teststation für eine Festoxidzelle, welche an einer Testschicht der zumindest drei Stapelschichten angeordnet ist, aufweist, vorgeschlagen worden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Testsystem zu einem Charakterisieren von Festoxidzellen, bevorzugt bei Temperaturen ab 500°C bis 850°C, mit zumindest einer Gaskontrolleinheit zu einem Ausbilden eines einheitlichen Brenngasgemischs für die Festoxidzellen, mit zumindest einer Brenngasgemischleitung, mit zumindest einer Wasserstoffgasleitung, und insbesondere mit zumindest einer Sauerstoffgasleitung, wobei die zumindest eine Gaskontrolleinheit zumindest drei Stapelschichten, zumindest eine Hydrationseinheit, die zu einer Befeuchtung des einheitlichen Gasgemischs ausgebildet ist, die insbesondere direkt gasleitend mit der zumindest einen Wasserstoffgasleitung und/oder mit der zumindest einen Sauerstoffgasleitung verbunden ist, und die in einer Hydrationsschicht der zumindest drei Stapelschichten angeordnet ist, zumindest eine direkt gasleitend mit der Brenngasgemischleitung und der Hydrationseinheit verbundene Mischkammer, die zu einem Ausbilden des einheitlichen Gasgemischs ausgebildet ist und die in einer Mischschicht der zumindest drei Stapelschichten angeordnet ist, und zumindest eine Teststation für eine Festoxidzelle, welche an einer Testschicht der zumindest drei Stapelschichten angeordnet ist, aufweist.
Es wird vorgeschlagen, dass die Gaskontrolleinheit zumindest eine weitere Teststation für zumindest eine weitere Festoxidzelle aufweist, welche an der Testschicht angeordnet ist.
Vorzugsweise ist das Testsystem zu einem, insbesondere gleichzeitigen und/oder zeitlich versetzten, Charakterisieren von gleichartigen und von verschiedenartigen Festoxidzellen ausgebildet, wobei insbesondere zumindest zwei Fest- oxidzellen gleichzeitig in dem Testsystem aufgenommen werden können. Einzelne oder alle der Festoxidzellen können dabei beispielsweise als anodengestützte, metallgestützte, kathodengestützte und/oder elektrolytgestützte Festoxidzellen ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Testsystem zu einem Charakterisieren von zumindest zwei Festoxidzellen gleichzeitig ausgebildet. Eine Festoxidzelle kann beispielsweise als Festoxidbrennstoffzelle oder Festoxidelektrolyse- zelle ausgebildet sein. Die Festoxidzelle ist bevorzugt zu einem Konvertieren von chemischer Energie, insbesondere eines Brenngases, wie beispielsweise eines Erdgases, in elektrische Energie, bevorzugt bei Temperaturen von 450°C bis 850°C, besonders bevorzugt bei Temperaturen ab 500°C bis 850°C ausgebildet. Bevorzugt weisen die Festoxidzellen, insbesondere zumindest eine Festoxidzelle, einen gasdichten und für Sauerstoffionen durchlässigen Elektrolyten auf. Bevorzugt weisen die Festoxidzellen, insbesondere zumindest eine Festoxidzelle, zumindest eine mehrschichtige Elektrode, insbesondere Anode und/oder Kathode, auf. Bevorzugt ist das Testsystem zu einem Charakterisieren von Festoxidzellen in einer Temperaturspanne von 500°C bis 850°C ausgebildet. Insbesondere kann das Testsystem zu einem Charakterisieren von Festoxidzellen in einer Temperaturspanne von 650°C bis 850°C frei von einem Katalysator ausgebildet sein.
Das Testsystem kann zumindest eine Gaszufuhreinheit umfassen. Der Gaszufuhreinheit können die zumindest eine Brenngasgemischleitung, die zumindest eine Wasserstoffgasleitung und/oder die zumindest eine Sauerstoffgasleitung zugeordnet sein. Bevorzugt ist die Brenngasgemischleitung zu einem Zuführen von einem Brenngasgemisch mit Kohlenstoffmonoxid-, Kohlenstoffdioxid-, Methan-, Wasserdampf-, Wasserstoff-, Stickstoff-, Methanol-, Dieselreformat- und/oder Argon-Anteilen zu der Gaskontrolleinheit, insbesondere zu der Mischkammer, ausgebildet. Vorzugsweise ist die Brenngasgemischleitung zu einem Zuführen von einem Brenngasgemisch mit zumindest Kohlenstoffmonoxid-, zumindest Kohlenstoffdioxid- und zumindest Methan-Anteilen, insbesondere mit Wasserdampf, zu der Gaskontrolleinheit, insbesondere zu der Mischkammer, ausgebildet. Bevorzugt ist die Wasserstoffgasleitung zu einem Zuführen von Wasserstoff, insbesondere mit Wasserdampf, zu der Gaskontrolleinheit, bevorzugt zu der Hydrations- einheit und/oder insbesondere zu der Mischkammer, ausgebildet. Bevorzugt ist die Sauerstoffgasleitung zu einem Zuführen von Sauerstoff, insbesondere mit Wasserdampf, zu der Gaskontrolleinheit, bevorzugt zu der Hydrationseinheit und/oder insbesondere zu der Mischkammer, ausgebildet.
Bevorzugt ist die Gaskontrolleinheit aus einer Keramik, bevorzugt einer Vollkeramik, insbesondere einer Oxidkeramik, wie beispielsweise bevorzugt Aluminiumoxid oder auch Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Zirkonoxid und/oder Siliziumcar- bid, ausgebildet. Insbesondere sind die Stapelschichten der Gaskontrolleinheit bevorzugt aus einer Keramik, insbesondere einer Oxidkeramik, wie beispielsweise bevorzugt Aluminiumoxid oder auch Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Zirkonoxid und/oder Siliziumcarbid, ausgebildet.
Die Hydrationseinheit kann zumindest einen Bubbler, insbesondere zumindest einen Dampfdrucksättiger, zumindest einen Verdampfer oder zumindest eine Reaktionskammer umfassen. Der zumindest eine Verdampfer und/oder der zumindest eine Bubbler können in zumindest eine der zumindest einen Brenngasgemischleitung, der zumindest einen Wasserstoffgasleitung und/oder der zumindest einen Sauerstoffgasleitung integriert ausgebildet sein. Bevorzugt weist die Hydrationseinheit zumindest eine Reaktionskammer auf, insbesondere zu einer Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Bevorzugt ist die Hydrationseinheit, insbesondere die Reaktionskammer, direkt gasleitend mit der zumindest einen Wasserstoffgasleitung und mit der zumindest einen Sauerstoffgasleitung verbunden. Bevorzugt ist die Hydrationseinheit, insbesondere die Reaktionskammer, direkt gasleitend mit der Mischkammer verbunden, insbesondere an einer anderen Seite als die zumindest eine Wasserstoffgasleitung und/oder die zumindest einen Sauerstoffgasleitung mit der Hydrationseinheit, insbesondere der Reaktionskammer, verbunden isl/sind. Bevorzugt umfasst die Hydrationseinheit zumindest einen Katalysator, bevorzugt zumindest einen Edelmetallkatalysator. Bevorzugt ist der zumindest eine Katalysator in der zumindest einen Reaktionskammer angeordnet zu einem Katalysieren der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Bevorzugt ist die Hydrationseinheit in der Gaskontrolleinheit angeordnet. Bevorzugt ist die Hydrationseinheit in genau einer Stapelschicht, insbesondere der Hydrationsschicht, der Gaskontrolleinheit angeordnet. Bevorzugt ist die Hyd- rationsschicht verschieden von der Mischschicht ausgebildet. Bevorzugt ist die Hydrationsschicht verschieden von der Testschicht ausgebildet. Bevorzugt sind die Hydrationsschicht und die Mischschicht direkt benachbarte Stapelschichten der Gaskontrolleinheit. Bevorzugt ist die Hydrationsschicht auf einer der Testschicht abgewandten Seite der Mischschicht angeordnet. Bevorzugt bildet die Testschicht eine vorletzte Schicht der Gaskontrolleinheit in Stapelrichtung, insbesondere auf einer Testseite der Mischschicht. Bevorzugt ist die Stapelrichtung zumindest im Wesentlichen senkrecht zu größten Außenflächen der einzelnen Stapelschichten ausgerichtet. Der Ausdruck "im Wesentlichen senkrecht“ soll hier insbesondere eine Ausrichtung einer Richtung relativ zu einer Bezugsrichtung definieren, wobei die Richtung und die Bezugsrichtung, insbesondere in einer Projektionsebene betrachtet, einen Winkel von 90° einschließen und der Winkel eine maximale Abweichung von insbesondere kleiner als 8°, vorteilhaft kleiner als 5° und besonders vorteilhaft kleiner als 2° aufweist. Bevorzugt bildet die Hydrationsschicht eine vorletzte Schicht der Gaskontrolleinheit in Stapelrichtung, insbesondere auf einer Hydrationsseite der Mischschicht. Bevorzugt ist die Mischschicht zwischen der Hydrationsschicht und der Testschicht angeordnet. Bevorzugt ist die Hydrationseinheit in Bezug auf einen Gasfluss von der zumindest einen Brenngasgemischleitung, der zumindest einen Wasserstoffgasleitung und/oder der zumindest einen Sauerstoffgasleitung zu der Mischkammer vor der Mischkammer angeordnet, insbesondere mit zumindest einer der zumindest einen Wasserstoffgasleitung und/oder der zumindest einen Sauerstoffgasleitung verbunden und/oder in zumindest eine der zumindest einen Wasserstoffgasleitung und/oder der zumindest einen Sauerstoffgasleitung integriert Bevorzugt sind die Testschicht und die Mischschicht durch mindestens eine Stapelschicht voneinander beabstandet angeordnet Bevorzugt sind jeweils benachbarte Stapelschichten miteinander verbunden. Einzelne Stapelschichten können durch mindestens 2 mm, bevorzugt mindestens 5 mm, breite Streifen, insbesondere innerhalb eines durch die Streifen, bevorzugt Goldstreifen, oder beispielsweise Glimmerstreifen, Glasstreifen und/oder Glaskeramikstreifen, definierten Dichtungsbereichs gasdicht, miteinander verbunden sein. Einzelne Stapelschichten können durch, bevorzugt 100-500 pm starke, Streifen, bevorzugt Goldstreifen, oder beispielsweise Glimmerstreifen, Glasstreifen und/oder Glaskeramikstreifen, insbesondere innerhalb eines durch die Streifen definierten Dichtungsbereichs gasdicht, miteinander verbunden sein.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Testsystems kann ein vorteilhaft gleichmäßiges Brenngasgemisch erreicht werden zu einem gleichmäßigen Charakterisieren von zumindest zwei Festoxidzellen gleichzeitig unter gleichen Bedingungen. Insbesondere können Datensätze zu Charakteristika der Festoxidzellen schneller und einheitlicher gemessen werden. Es können vorteilhaft verlässliche Datensätze erreicht werden, insbesondere für Festoxidzellen, welche unter vorteilhaft gleichen Bedingungen gemessen wurden. Insbesondere können vorteilhaft gleichmäßige Testbedingungen erreicht werden, welche vorteilhaft vergleichbare Datensätze zu Festoxidzellen ermöglichen. Es kann ein vorteilhaft einheitlich befeuchtetes Brenngasgemisch erreicht werden. Es kann ein vorteilhafter Umweltstandard durch simultane Messung mehrerer Festoxidzellen erreicht werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Testsystem eine Abgasleitung aufweist zu einem Abführen von Abgas von der zumindest einen Teststation und der zumindest einen weiteren Teststation, wobei die zumindest eine Abgasleitung zumindest abschnittsweise in zumindest einer von der Testschicht verschiedenen Stapelschicht der zumindest drei Stapelschichten angeordnet ist. Vorzugsweise ist die zumindest eine Abgasleitung zumindest abschnittsweise in der zumindest einen Mischschicht angeordnet Vorzugsweise ist die zumindest eine Abgasleitung zumindest abschnittsweise in der zumindest einen Hydrationsschicht angeordnet. Vorzugsweise erstreckt sich die zumindest eine Abgasleitung durch die zumindest eine Mischschicht, insbesondere entlang der Stapelrichtung. Vorzugsweise erstreckt sich die zumindest eine Abgasleitung durch die zumindest eine Hydrationsschicht, insbesondere entlang der Stapelrichtung. Bevorzugt ist die zumindest eine Abgasleitung beabstandet von der zumindest einen Testschicht angeordnet. Bevorzugt ist die zumindest eine Abgasleitung beabstandet von der Mischkammer in der Mischschicht angeordnet. Bevorzugt ist die zumindest eine Abgasleitung beabstandet von der Reaktionskammer in der Hydrationsschicht angeordnet. Bevorzugt ist die zumindest eine Abgasleitung dazu ausgebildet, Abgas von der zumindest einen Teststation und von der zumindest einen weiteren Teststation abzuführen. Es kann eine vorteilhaft gleichmäßig temperierte Abgasleitung erreicht werden. Insbesondere können Risiken von unvorteilhaften Abgasströmungen vorteilhaft reduziert werden. Es können vorteilhaft gleichmäßige Testbedingungen für alle Teststationen erreicht werden. Es können Rekondensa- tionseffekte vorteilhaft verringert werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Teststation und die zumindest eine weitere Teststation zumindest in Bezug auf einen Gasweg von der Mischkammer zu den jeweiligen Teststationen gleich weit von der Mischkammer beabstandet angeordnet sind. Vorzugsweise sind alle Teststationen gleich weit von der Mischkammer entfernt angeordnet in Bezug auf einen Gasweg von der Mischkammer zu den jeweiligen Teststationen. Vorzugsweise sind alle Teststationen symmetrisch zueinander an der Testschicht um einen Gasausgang aus der Mischkammer herum angeordnet. Bevorzugt weist die Mischkammer den Gasausgang auf. Bevorzugt ist der Gasausgang zentral an einer der Testschicht zugewandten Außenseite der Mischkammer angeordnet. Bevorzugt ist ein Gasweg von der Mischkammer, insbesondere von dem Gasausgang der Mischkammer, bis zu jeder Teststation gleich lang ausgebildet. Bevorzugt ist ein Gasweg von der Mischkammer, insbesondere von dem Gasausgang der Mischkammer, bis zu jeder Teststation gleich geformt ausgebildet. Es kann ein vorteilhaft einheitliches Versorgen der Teststationen mit dem einheitlichen Gasgemisch erreicht werden. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Gaskontrolleinheit zumindest eine, bevorzugt zumindest zwei, zusätzliche Teststationen, welche an der Testschicht angeordnet ist, aufweist. DBevorzugt sind alle Teststationen gleich, insbesondere geformt, ausgebildet. Bevorzugt ist die zumindest eine Teststation analog zu der zumindest einen weiteren Teststation ausgebildet. Bevorzugt ist die zumindest eine zusätzliche Teststation analog zu der zumindest einen Teststation und/oder zu der zumindest einen weiteren Teststation ausgebildet. Bevorzugt weist jede Teststation einen Gaseingang auf, welcher in Bezug auf einen Gasweg von der Mischkammer, gleich weit von der zumindest einen Mischkammer, insbesondere von dem Gasausgang der zumindest einen Mischkammer, entfernt angeordnet ist. Es kann ein vorteilhaft kostengünstiges Charakterisieren von Festoxidzellen erreicht werden. Es können vorteilhafte belastbare Statistiken aus Messungen zu Festoxidzellen erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Gaskontrolleinheit zumindest eine weitere Stapelschicht, insbesondere eine Zugasverteilschicht, aufweist, welche zwischen der Mischschicht und der Testschicht angeordnet ist und welche eine Zugasleitung begrenzt, welche die zumindest eine Teststation und die zumindest eine weitere Teststation zumindest in Bezug auf einen Gasweg äquidistant mit der zumindest eine Mischkammer verbindet. Vorzugsweise ist die zumindest eine Zugasverteilschicht zwischen der zumindest einen Mischschicht und der zumindest einen Testschicht angeordnet. Bevorzugt ist die zumindest eine Zugasverteilschicht direkt angrenzend an die Mischschicht angeordnet. Bevorzugt ist die zumindest eine Zugasverteilschicht von der Testschicht um zumindest eine Stapelschicht, insbesondere eine Abgaskollektorschicht, beabstandet angeordnet. Die zumindest eine Zugasverteilschicht kann direkt angrenzend an die zumindest eine Testschicht angeordnet sein. Die zumindest eine Zugasverteilschicht kann von der Mischschicht um zumindest eine Stapelschicht, insbesondere eine Abgaskollektorschicht, beabstandet angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Gasausgang der Mischkammer mit der Zugasverteilschicht, insbesondere mit der Zugasleitung gasleitend verbunden. Vorzugsweise ist die Zugasleitung auf eine symmetrische Form um eine zentrale Zugaskonnektorausnehmung ausgebildet zu einem gleichmäßigen Verbinden der Teststationen mit der Mischkammer in Bezug auf den Gasweg von der Mischkammer zu den Teststationen. Bevorzugt ist die Zugasleitung an der Zugaskonnektorausnehmung mit der Mischkammer verbunden, insbesondere durch eine gerade Gasleitung. Es kann eine vorteilhaft gleichmäßige Versorgung der Teststationen mit dem einheitlichen Brenngasgemisch erreicht werden. Insbesondere kann eine vorteilhaft einheitliche Temperierung des einheitlichen Gasgemischs in der Zugasverteilschicht erreicht werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Gaskontrolleinheit zumindest eine weitere Stapelschicht, insbesondere eine, insbesondere die bereits genannte, Abgaskollektorschicht, aufweist, welche zwischen der Mischschicht und der Testschicht angeordnet ist und welche eine Abgasteilleitung begrenzt, welche die zumindest eine Teststation und die zumindest eine weitere Teststation zumindest in Bezug auf einen Gasweg äquidistant mit der zumindest einen Abgasleitung verbindet. Vorzugsweise ist die zumindest eine Abgaskollektorschicht zwischen der zumindest einen Mischschicht und der zumindest einen Testschicht angeordnet. Bevorzugt ist die zumindest eine Abgaskollektorschicht direkt angrenzend an die Testschicht angeordnet. Bevorzugt ist die zumindest eine Abgaskollektorschicht von der Mischschicht um zumindest eine Stapelschicht, insbesondere die zumindest eine Zugasverteilschicht, beabstandet angeordnet. Die zumindest eine Abgaskollektorschicht kann direkt angrenzend an die zumindest eine Mischschicht angeordnet sein. Die zumindest eine Abgaskollektorschicht kann von der Testschicht um zumindest eine Stapelschicht, insbesondere die zumindest eine Zugasverteilschicht, beabstandet angeordnet sein. Vorzugsweise ist die zumindest eine Abgasleitung mit der Abgaskollektorschicht, insbesondere mit der Abgasteilleitung gasleitend verbunden. Vorzugsweise ist die Abgasteilleitung auf eine symmetrische Form um eine zentrale Abgaskonnektorausnehmung ausgebildet zu einem gleichmäßigen Verbinden der Teststationen mit der Abgasleitung in Bezug auf den Gasweg und/oder einen effektiven Gasweg, insbesondere eine Kombination aus Länge des Gaswegs und Geometrie des Gaswegs, von den Teststationen zu der Abgasleitung. Bevorzugt ist die Abgasteilleitung an von der Abgaskonnektorausnehmung beabstandeten Abgasausnehmungen mit den Teststationen verbunden, insbesondere durch eine gerade Gasleitung. Es kann ein vorteilhaft gleichmäßiges Abführen von Abgas von den Teststationen erreicht werden. Insbesondere kann eine vorteilhaft einheitliche Temperierung des Abgases erreicht werden, wodurch insbesondere Rückstaueffekte vorteilhaft reduziert werden können. Ferner wird vorgeschlagen, dass die Gaskontrolleinheit zumindest eine weitere Stapelschicht, insbesondere eine Gasverteilschicht, aufweist, welche zwischen der Mischschicht und der Testschicht angeordnet ist und welche eine Zugasleitung begrenzt, welche die zumindest eine Teststation und die zumindest eine weitere Teststation zumindest in Bezug auf einen Gasweg äquidistant mit der zumindest einen Mischkammer verbindet und welche eine Abgasteilleitung begrenzt, welche die zumindest eine Teststation und die zumindest eine weitere Teststation zumindest in Bezug auf einen Gasweg äquidistant mit der zumindest einen Abgasleitung verbindet. Bevorzugt ist die Gasverteilschicht als eine einstückige Variante der Abgaskollektorschicht mit der Zugasverteilschicht ausgebildet. Unter „einstückig“ soll insbesondere in einem Stück geformt verstanden werden, wobei das eine Stück bevorzugt aus einem einzelnen Rohling, einer Masse und/oder einem Guss, bevorzugt aus einem einzelnen Vollmaterial in einem Fräsverfahren und/oder Sinterverfahren, hergestellt ist. Die Zugasleitung kann auf einer anderen Höhe, insbesondere in Bezug auf die Stapelrichtung, durch die Gasverteilschicht begrenzt sein als die Abgasteilleitung. Die Zugasleitung kann auf der gleichen Höhe, insbesondere in Bezug auf die Stapelrichtung, durch die Gasverteilschicht begrenzt sein als die Abgasteilleitung. Bevorzugt sind die Zugasleitung und die Abgasleitung durch zumindest 5 mm Material der Gasverteilschicht voneinander beabstandet angeordnet. Die Zugasverteilschicht und/oder die Abgaskollektorschicht können einstückig mit der Testschicht ausgebildet sein. Es kann eine vorteilhaft kostengünstige Gaskontrolleinheit erreicht werden. Insbesondere kann eine vorteilhaft kompakte Gaskontrolleinheit erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das Testsystem zumindest eine Luftgemischleitung aufweist zu einer Versorgung der zumindest einen Teststation und der zumindest einen weiteren Teststation mit einem Luftgemisch, welche zumindest eine Commonraileinheit aufweist zu einem einheitlichen Versorgen der zumindest einen Teststation und der zumindest einen weiteren Teststation mit dem Luftgemisch. Bevorzugt ist die Luftgemischleitung vollständig außerhalb der Gaskontrolleinheit angeordnet. Vorzugsweise ist das Luftgemisch auf einem Druck von mindestens 1 ,5 bar. Vorzugsweise ist das Luftgemisch auf einem Druck zwischen 1 ,5 bar bis 5 bar. Die Commonraileinheit weist vorzugsweise zumindest eine Hochdruckpumpe auf. Die Hochdruckpumpe kann aktiv auf einen Druckgeregelt sein. Zur Druckregelung bei ungeregelten Pumpen kann die Commonraileinheit zumindest ein Druckregelventil aufweisen. Vorzugsweise ist das Luftgemisch als ein Gemisch von zumindest Stickstoff und zumindest Sauerstoff ausgebildet. Es kann eine vorteilhaft einheitliche Luftgemischversorgung der Teststationen erreicht werden, insbesondere für eine Kathodenversorgung der Festoxidzellen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das Testsystem zumindest eine Gasversorgungseinheit zu einer direkten Versorgung der zumindest einen Teststation und/oder der zumindest einen weiteren Teststation mit einem Luftgemisch, insbesondere einem Kathodengas aufweist. Vorzugsweise ist die Commonraileinheit durch Gasleitungen mit den einzelnen Teststationen verbunden. Es wäre jedoch auch denkbar, dass für jede Teststation eine eigene Kathodengasversorgung vorgesehen ist. Die zumindest eine Gasversorgungseinheit ist insbesondere zwischen einer der Gasleitungen und den einzelnen Teststationen angeordnet. Die Gasversorgungseinheit ist insbesondere zu einer direkten Verteilung eines Luftgemischs, insbesondere eines Kathodengases und/oder Oxidationsmittelgases, über eine Gasdiffusionsschicht und/oder eine Katalysatoroberfläche einer der Teststationen vorgesehen. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Gasversorgungseinheit zumindest einen Gaskanal zu einer Führung des Luftgemischs, insbesondere des Kathodengases, aufweist, welcher sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Stapelrichtung der Gaskontrolleinheit erstreckt. Der Gaskanal erstreckt sich insbesondere in einem Grundkörper der Gasversorgungseinheit. Dadurch kann vorteilhaft eine gezielte Luftgemischzufuhr, insbesondere Kathodengas- und/oder Oxidationsmittelgaszufuhr, insbesondere aus einer radialen Richtung ermöglicht werden. Die Gasversorgungseinheit für die Luftgemischzufuhr, insbesondere Kathodengas- und/oder Oxidationsmittelgaszufuhr, kann in einer großen Anzahl von Ofentypen eingesetzt werden, z.B. Flügeltür- und Haubenöfen. Es kann ferner eine definierte Luftgemischzufuhr, insbesondere Kathodengas- und/oder Oxidationsmittelgaszufuhr, an der Teststation ermöglicht werden.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die zumindest eine Gasversorgungseinheit ein Flow-Field-Element aufweist, welches dazu vorgesehen ist das Luftgemisch, insbesondere Kathodengas, in einer definierten Kathodengasströmungsrichtung parallel zu der Haupterstreckungsebene der Teststationen an der zumindest einen Teststation und/oder der zumindest einen weiteren Teststation vorbeizuführen. Das Flow-Field-Element ist insbesondere dazu vorgesehen, einer Gasdiffusionsschicht und/oder einer Katalysatoroberfläche einer der Teststationen eine angemessene Menge Kathodengas zuzuführen und gleichzeitig den Druckabfall zu minimieren. Das Flow-Field-Element bildet insbesondere eine Kanalstruktur zu einer Führung des Kathodengases aus. Dabei sind verschiedene, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Kanalkonfigurationen denkbar, wie beispielsweise serpentinenförmige, parallele und ineinandergreifende Kanalkonfigurationen. Es wird weiter vorgeschlagen, dass das zumindest eine Flow-Field-Element eine radial außenliegende Eingangsseite und eine Ausgangsseite aufweist, welche auf einer der Eingangsseite gegenüberliegenden Seite des Flow-Field-Ele- ments angeordnet ist. Dadurch liegen vorzugsweise zwei definierte Flussvarianten vor, und zwar eine Counter-Flow-Flussvariante und eine Co-Flow-Flussvari- ante. Bei der Co-Flow-Flussvariante fließen das Anodengas und das Kathodengas beide in identischer Richtung über die Teststation. Die Kathodengasströmungsrichtung und die Anodengasströmungsrichtung verlaufen daher parallel und gleichgerichtet. Bei der Counter-Flow-Flussvariante fließen das Anodengas und das Kathodengas entgegengesetzt über die Teststation. Die Kathodengasströmungsrichtung und die Anodengasströmungsrichtung verlaufen daher parallel und entgegengesetzt, insbesondere antiparallel. Durch diese Anordnungen lassen sich nun Temperatur- und Konzentrationsgradienten über die Teststationen einstellen und simulieren und der Gasumsatz auf Anoden- und Kathodenseite kann exakt bestimmt werden. Dies ist bei der Entwicklung von Zellmodellen hilfreich und verbessert die Übertragbarkeit der Zellergebnisse auf größere Zellen bzw. Stacks. Der Aufbau ermöglicht außerdem Konfigurationen mit Teststationen in der Co-Flow-Flussvariante und gleichzeitig Teststationen in der Counter-Fluss- variante, so dass beispielsweise zwei der vier Teststationen im Co-Flow und zwei im Counter-Flow innerhalb desselben Tests betrieben werden können. Hierdurch können Simulationen von damit verbundenen Temperatur- und Konzentrationsgradienten über den Teststationen ermöglicht werden, insbesondere bei größeren Zellflächen größer 16cm2, wodurch wertvolle Vergleichsdaten für die Modellentwicklung oder -Validierung in Bezug auf Geometrien mit der Counter-Flow- Flussvariante oder der Co-Flow-Flussvariante ermittelt werden können. Diese Informationen können ferner verwendet werden für eine genaue Berechnung des Brennstoff- und Oxidationsgasumsatzes.
Darüber hinaus wird eine Luftgemischleitung eines erfindungsgemäßen Testsystems vorgeschlagen. Es kann eine vorteilhafte Kompatibilität von Luftgemischleitung zu Gaskontrolleinheit erreicht werden. Insbesondere kann eine vorteilhafte Austauschbarkeit von Luftgemischleitungen erreicht werden.
Ausgehend von einem Testsystem zu einem Charakterisieren von Festoxidzel- len, bevorzugt bei Temperaturen ab 500°C bis 850°C, mit zumindest einer Gaskontrolleinheit zu einem Ausbilden eines einheitlichen Brenngasgemischs für die Festoxidzellen, mit zumindest einer Brenngasgemischleitung, mit zumindest einer Wasserstoffgasleitung und mit zumindest einer Sauerstoffgasleitung, wobei die zumindest eine Gaskontrolleinheit zumindest drei Stapelschichten, zumindest eine Hydrationseinheit, die zu einer Befeuchtung des einheitlichen Gasgemischs direkt gasleitend mit der zumindest einen Wasserstoffgasleitung und/oder mit der zumindest einen Sauerstoffgasleitung verbunden ist und die in einer Hydrations- schicht der zumindest drei Stapelschichten angeordnet ist, zumindest eine direkt gasleitend mit der Brenngasgemischleitung und der Hydrationseinheit verbundene Mischkammer, die zu einem Ausbilden des einheitlichen Gasgemischs ausgebildet ist und die in einer Mischschicht der zumindest drei Stapelschichten angeordnet ist, und zumindest eine Teststation für eine Festoxidzelle, welche an einer Testschicht der zumindest drei Stapelschichten angeordnet ist, aufweist, wird zudem vorgeschlagen, dass die zumindest eine Hydrationseinheit eine Reaktionskammer zu einer Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff und zumindest einen Katalysator, bevorzugt Edelmetallkatalysator, aufweist, welche in Bezug auf einen Gasfluss vor der zumindest einen Mischkammer angeordnet ist, und welche direkt gasleitend mit der zumindest einen Wasserstoffgasleitung und mit der zumindest einen Sauerstoffgasleitung verbunden ist. Bevorzugt ist das Testsystem zu einem Charakterisieren von Festoxidzellen in einer Temperaturspanne von 500°C bis 850°C ausgebildet.
Bevorzugt ist der Katalysator als Platinkatalysator, insbesondere in der Form zumindest eines Gitters, ausgebildet. Bevorzugt ist der Katalysator zumindest teilweise, bevorzugt zumindest zum Großteil, aus Platin ausgebildet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Testsystems kann ein vorteilhaft gleichmäßiges Brenngasgemisch erreicht werden zu einem gleichmäßigen Charakterisieren von Festoxidzellen unter gleichen Bedingungen. Insbesondere kann ein vorteilhaft einheitlich befeuchtetes Brenngasgemisch erreicht werden. Insbesondere kann ein Risiko eines Verkokens, insbesondere der Gaskontrolleinheit, reduziert werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Testsystem eine Abgasleitung aufweist zu einem Abführen von Abgas von der zumindest einen Teststation, wobei die zumindest eine Abgasleitung zumindest abschnittsweise in zumindest einer von der Testschicht verschiedenen Stapelschicht der zumindest drei Stapelschichten angeordnet ist. Die zumindest eine Abgasleitung kann gleich wie die bereits genannte Abgasleitung sein. Bevorzugt ist die zumindest eine Abgasleitung dazu ausgebildet, Abgas zumindest von der zumindest einen Teststation abzuführen. Es kann eine vorteilhaft gleichmäßig temperierte Abgasleitung erreicht werden. Insbesondere können Risiken von unvorteilhaften Abgasströmungen vorteilhaft reduziert werden. Es können vorteilhaft gleichmäßige Testbedingungen für alle Teststationen erreicht werden.
Darüber hinaus wird eine Gaskontrolleinheit eines erfindungsgemäßen Testsystems vorgeschlagen. Es kann eine verbesserte Verfügbarkeit von Gaskontrolleinheit erreicht werden, insbesondere zur Messung von mehreren Festoxidzellen simultan. Es kann eine vorteilhaft kurze Produktionszeit, insbesondere Lieferzeit, von Gaskontrolleinheit erreicht werden, insbesondere zur Messung von mehreren Festoxidzellen simultan. Es können vorteilhaft vereinheitlichte Gaskontrolleinheiten erreicht werden, welche insbesondere vorteilhaft vergleichbare Messbedingungen erreichbar machen. Es können vorteilhaft standardisierte Messbedingungen erreicht werden. Insbesondere können vorteilhaft belastbare, insbesondere vergleichbare, Datensätze von verschiedenen Gaskontrolleinheiten erreicht werden. Es kann ein vorteilhaft hoher Sicherheitsstandard für Gaskontrolleinheiten erreicht werden.
Das/Die erfindungsgemäße/n Testsystem/e, die erfindungsgemäße Luftgemischleitung und/oder die erfindungsgemäße Gaskontrolleinheit sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können/kann das erfindungsgemäße Testsystem, die erfindungsgemäße Luftgemischleitung und/oder die erfindungsgemäße Gaskontrolleinheit zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Testsystem mit einer erfindungsgemäßen Gaskontrolleinheit und einer erfindungsgemäßen Luftgemischleitung in einer schematischen Darstellung,
Fig. 2 die erfindungsgemäße Gaskontrolleinheit in einer schematischen teiltransparenten Darstellung,
Fig. 3 einen Teil der erfindungsgemäßen Gaskontrolleinheit in einer schematischen Darstellung,
Fig. 4 einen Teil der erfindungsgemäßen Gaskontrolleinheit in einer schematischen Darstellung,
Fig. 5 einen Teil der erfindungsgemäßen Gaskontrolleinheit in einer schematischen Darstellung,
Fig. 6 die erfindungsgemäße Luftgemischleitung in einer schematischen Darstellung,
Fig. 7 einen Teil einer alternativen erfindungsgemäßen Gaskontrolleinheit eines alternativen Testsystems in einer schematischen Darstellung, Fig. 8 einen Teilausschnitt eines weiteren alternativen erfindungsgemäßen Testsystems mit einer erfindungsgemäßen Gaskontrolleinheit und einer erfindungsgemäßen Luftgemischleitung umfassend eine Gasversorgungseinheit in einer schematischen Darstellung und
Fig. 9 einen Teilausschnitt des weiteren alternativen erfindungsgemäßen Testsystems mit der erfindungsgemäßen Gaskontrolleinheit und der erfindungsgemäßen Luftgemischleitung umfassend zwei Gasversorgungseinheiten in einer schematischen Darstellung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt ein Testsystem 10a. Das Testsystem 10a ist zu einem Charakterisieren von Festoxidzellen ausgebildet. Das Testsystem 10a ist zu einem Charakterisieren von Festoxidzellen bei Temperaturen ab 500°C bis 850°C ausgebildet. Das Testsystem 10a kann zu einem Charakterisieren von Festoxidzellen bei Temperaturen ab 650°C bis 850°C ausgebildet sein, insbesondere frei von einem Katalysator 44a.
Das Testsystem 10a weist eine Gaskontrolleinheit 12a auf. Die Gaskontrolleinheit 12a ist zu einem Ausbilden eines einheitlichen Brenngasgemischs für die Festoxidzellen ausgebildet. Das Testsystem 10a weist einen Ofen 14a auf. Die Gaskontrolleinheit 12a ist in dem Ofen 14a angeordnet. Das Testsystem 10a weist eine Brenngasgemischleitung 16a auf. Das Testsystem 10a weist eine Wasserstoffgasleitung 18a auf. Das Testsystem 10a weist eine Sauerstoffgasleitung 20a auf.
Die Gaskontrolleinheit 12a umfasst hier beispielhaft sieben Stapelschichten 22a. Die Gaskontrolleinheit 12a umfasst eine Hydrationseinheit 24a. Die Hydrations- einheit 24a ist zu einer Befeuchtung des einheitlichen Gasgemischs ausgebildet. Die Hydrationseinheit 24a ist in diesem Beispiel direkt gasleitend mit der zumindest einen Wasserstoffgasleitung 18a und mit der zumindest einen Sauerstoffgasleitung 20a verbunden. Die Hydrationseinheit 24a ist in einer Hyd- rationsschicht 26a der sieben Stapelschichten 22a angeordnet
Die Gaskontrolleinheit 12a umfasst eine Mischkammer 28a. Die Mischkammer 28a ist direkt gasleitend mit der Brenngasgemischleitung 16a verbunden. Die Mischkammer 28a ist direkt gasleitend mit der Hydrationseinheit 24a verbunden. Die Mischkammer 28a ist zu einem Ausbilden des einheitlichen Gasgemischs ausgebildet. Die Mischkammer 28a ist in einer Mischschicht 30a der sieben Stapelschichten 22a angeordnet.
Die Gaskontrolleinheit 12a umfasst eine Teststation 32a, 36a, 38a, 38’a. Die Teststation 32a, 36a, 38a, 38’a ist für eine Festoxidzelle ausgebildet. Die Teststation 32a, 36a, 38a, 38’a ist an einer Testschicht 34a der sieben Stapelschichten 22a angeordnet.
Die Gaskontrolleinheit 12a umfasst zumindest eine weitere Teststation 32a, 36a, 38a, 38’a. Die weitere Teststation 32a, 36a, 38a, 38a’ ist für eine Festoxidzelle ausgebildet. Die weitere Teststation 32a, 36a, 38a, 38a’ ist an der Testschicht 34a der sieben Stapelschichten 22a angeordnet. Die Gaskontrolleinheit 12a umfasst zwei zusätzliche Teststationen 32a, 36a, 38a, 38’a. Die zusätzlichen Teststationen 32a, 36a, 38a, 38’a sind für jeweils eine Festoxidzelle ausgebildet. Die zusätzlichen Teststationen 32a, 36a, 38a, 38’a sind an der Testschicht 34a der sieben Stapelschichten 22a angeordnet. Alle Teststationen 32a, 36a, 38a, 38a’ sind gleich, insbesondere geformt, ausgebildet. Die Teststation 32a, 36a, 38a, 38a’ ist analog zu der weiteren Teststation 32a, 36a, 38a, 38a’ ausgebildet. Die zusätzlichen Teststationen 38a, 38’a sind analog zu der Teststation 32a, 36a, 38a, 38a’ und zu der weiteren Teststation 32a, 36a, 38a, 38a’ ausgebildet.
Jede Teststation 32a, 36a, 38a, 38’a weist einen Gaseingang 40a auf (vgl. Fig. 2). Die Gaseingänge 40a sind in Bezug auf einen Gasweg von der Mischkammer 28a, gleich weit von der zumindest einen Mischkammer 28a, insbesondere von einem Gasausgang 54a der Mischkammer 28a, entfernt angeordnet. Jede Teststation 32a, 36a, 38a, 38’a weist einen Gasausgang 41 a auf Das Testsystem 10a ist zu einem gleichzeitigen und zeitlich versetzten Charakterisieren von gleichartigen und von verschiedenartigen Festoxidzellen ausgebildet Einzelne oder alle der Festoxidzellen können dabei beispielsweise als anodengestützte, metallgestützte, kathodengestützte und/oder elektrolytgestützte Festoxidzellen ausgebildet sein. Das Testsystem 10a ist zu einem Charakterisieren von bis zu vier Festoxidzellen gleichzeitig ausgebildet. Eine Festoxidzelle kann beispielsweise als Festoxidbrennstoffzelle oder Festoxidelektrolysezelle ausgebildet sein.
Das Testsystem 10a ist zu einem Charakterisieren von Festoxidzellen in einer Temperaturspanne von 500°C bis 850°C ausgebildet.
Die Brenngasgemischleitung 16a ist zu einem Zuführen von einem Brenngasgemisch mit zumindest Kohlenstoffmonoxid-, zumindest Kohlenstoffdioxid- und zumindest Methan-Anteilen zu der Gaskontrolleinheit 12a, insbesondere zu der Mischkammer 28a, ausgebildet. Die Wasserstoffgasleitung 18a zu einem Zuführen von Wasserstoff zu der Gaskontrolleinheit 12a, insbesondere zu der Hydrati- onseinheit 24a, ausgebildet. Die Sauerstoffgasleitung 20a ist zu einem Zuführen von Sauerstoff zu der Gaskontrolleinheit 12a, insbesondere zu der Hydrationsein- heit 24a, ausgebildet.
Die Gaskontrolleinheit 12a ist aus einer Keramik, bevorzugt einer Vollkeramik, insbesondere einer Oxidkeramik, wie beispielsweise Aluminiumoxid ausgebildet. Insbesondere sind die Stapelschichten 22a der Gaskontrolleinheit 12a bevorzugt aus der Keramik, insbesondere der Oxidkeramik, wie beispielsweise Aluminiumoxid ausgebildet.
Die Hydrationseinheit 24a weist eine Reaktionskammer 42a auf, insbesondere zu einer Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Die Reaktionskammer 42a ist direkt gasleitend mit der zumindest einen Wasserstoffgasleitung 18a und mit der zumindest einen Sauerstoffgasleitung 20a verbunden.
Bevorzugt ist die Hydrationseinheit 24a, insbesondere die Reaktionskammer 42a, direkt gasleitend mit der Mischkammer 28a verbunden, insbesondere an einer anderen Seite als die zumindest eine Wasserstoffgasleitung 18a und/oder die zumindest einen Sauerstoffgasleitung 20a mit der Hydrationseinheit 24a, insbesondere der Reaktionskammer 42a, verbunden ist/sind.
Die Hydrationseinheit 24a umfasst einen Katalysator 44a, insbesondere einen Edelmetallkatalysator. Der Katalysator 44a ist in der Reaktionskammer 42a angeordnet zu einem Katalysieren der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Die Hydrationseinheit 24a ist in der Gaskontrolleinheit 12a angeordnet. Die Hydrationseinheit 24a ist in einer genau Stapelschicht 22a, insbesondere in der Hydrati- onsschicht 26a, der Gaskontrolleinheit 12a angeordnet. Der Katalysator 44a ist als Platinkatalysator, insbesondere in der Form zumindest eines Gitters, ausgebildet. Die Hydrationsschicht 26a ist verschieden von der Mischschicht 30a ausgebildet. Die Hydrationsschicht 26a ist verschieden von der Testschicht 34a ausgebildet. Die Hydrationsschicht 26a und die Mischschicht 30a sind direkt benachbarte Stapelschichten 22a der Gaskontrolleinheit 12a. Die Hydrationsschicht 26a ist auf einer der Testschicht 34a abgewandten Seite der Mischschicht 30a angeordnet.
Die Testschicht 34a ist eine vorletzte Schicht der Gaskontrolleinheit 12a in Stapelrichtung 48a, insbesondere auf einer Testseite 46a der Mischschicht 30a. Die Stapelrichtung 48a ist senkrecht zu größten Außenflächen der einzelnen Stapelschichten 22a ausgerichtet. Die Hydrationsschicht 26a ist eine vorletzte Schicht der Gaskontrolleinheit 12a in Stapelrichtung 48a, insbesondere auf einer Hydrati- onsseite 50a der Mischschicht 30a. Die Testschicht 34a und die Mischschicht 30a sind durch mindestens eine Stapelschicht 22a voneinander beabstandet angeordnet.
Die Hydrationsseite 50a der Mischschicht 30a ist eine der Wasserstoffgasleitung 18a, der Brenngasgemischleitung 16a und der Sauerstoffgasleitung 20a zugewandte Seite der Mischschicht 30a. Die Testseite 46a der Mischschicht 30a ist eine der Wasserstoffgasleitung 18a, der Brenngasgemischleitung 16a und der Sauerstoffgasleitung 20a abgewandte Seite der Mischschicht 30a. Die Mischschicht 30a ist zwischen der Hydrationsschicht 26a und der Testschicht 34a angeordnet. Die Hydrationseinheit 24a ist in Bezug auf einen Gasfluss von der Brenngasgemischleitung 16a, der Wasserstoffgasleitung 18a und der Sauerstoffgasleitung 20a zu der Mischkammer 28a vor der Mischkammer 28a angeordnet
Die Hydrationseinheit 24a ist in Bezug auf einen Gasfluss von der Brenngasgemischleitung 16a, der Wasserstoffgasleitung 18a und der Sauerstoffgasleitung 20a zu der Mischkammer 28a mit der Wasserstoffgasleitung 18a und der Sauerstoffgasleitung 20a verbunden.
Jeweils benachbarte Stapelschichten 22a sind miteinander verbunden. Einzelne Stapelschichten 22a sind durch mindestens 100 pm, insbesondere maximal 500 pm, starke Goldstreifen 88a, insbesondere innerhalb eines durch die Goldstreifen 88a definierten Dichtungsbereichs 86a gasdicht, miteinander verbunden. Einzelne Stapelschichten 22a sind durch mindestens 2 mm breite Goldstreifen 88a, insbesondere innerhalb eines durch die Goldstreifen 88a definierten Dichtungsbereichs 86a gasdicht, miteinander verbunden.
Das Testsystem 10a weist eine Abgasleitung 52a auf zu einem Abführen von Abgas von der Teststation 32a, 36a, 38a, 38a’, der weiteren Teststation 32a, 36a, 38a, 38a’ und den zusätzlichen Teststationen 32a, 36a, 38a, 38a’ (vgl. Fig. 2).
Die Abgasleitung 52a ist abschnittsweise in mindestens einer von der Testschicht 34a verschiedenen Stapelschicht 22a der sieben Stapelschichten 22a angeordnet. Die Abgasleitung 52a ist abschnittsweise in der Mischschicht 30a angeordnet.
Die Abgasleitung 52a ist abschnittsweise in der zumindest einen Hydrations- schicht 26a angeordnet. Die Abgasleitung 52a erstreckt sich durch die Mischschicht 30a, insbesondere entlang der Stapelrichtung 48a. Die Abgasleitung 52a erstreckt sich durch die zumindest eine Hydrationsschicht 26a, insbesondere entlang der Stapelrichtung 48a. Die Abgasleitung 52a ist beabstandet von der zumindest einen Testschicht 34a angeordnet. Die Abgasleitung 52a ist beabstandet von der Mischkammer 28a in der Mischschicht 30a angeordnet.
Die Abgasleitung 52a ist beabstandet von der Reaktionskammer 42a in der Hydrationsschicht 26a angeordnet. Die Abgasleitung 52a ist dazu ausgebildet, Abgas von der Teststation 32a, 36a, 38a, 38a’, von der weiteren Teststation 32a, 36a, 38a, 38a’ und von den zusätzlichen Teststationen 32a, 36a, 38a, 38a’ abzuführen. Die Teststation 32a, 36a, 38a, 38a’, die weitere Teststation 32a, 36a, 38a, 38a’ und die zusätzlichen Teststationen 32a, 36a, 38a, 38a’ sind in Bezug auf einen Gasweg von der Mischkammer 28a zu den jeweiligen Teststationen 32a, 36a, 38a, 38’a gleich weit von der Mischkammer 28a beabstandet angeordnet. Alle Teststationen 32a, 36a, 38a, 38’a sind gleich weit von der Mischkammer 28a entfernt angeordnet in Bezug auf einen Gasweg von der Mischkammer 28a zu den jeweiligen Teststationen 32a, 36a, 38a, 38’a. Alle Teststationen 32a, 36a, 38a, 38’a sind symmetrisch zueinander an der Testschicht 34a um einen Gasausgang 54a aus der Mischkammer 28a herum angeordnet. Bevorzugt weist die Mischkammer 28a den Gasausgang 54a auf. Der Gasausgang 54a ist zentral an einer der Testschicht 34a zugewandten Außenseite der Mischkammer 28a angeordnet. Ein Gasweg von der Mischkammer 28a, insbesondere von dem Gasausgang 54a der Mischkammer 28a, bis zu jeder Teststation 32a, 36a, 38a, 38’a ist gleich lang ausgebildet. Der Gasweg von der Mischkammer 28a, insbesondere von dem Gasausgang 54a der Mischkammer 28a, bis zu jeder Teststation 32a, 36a, 38a, 38’a ist gleich geformt ausgebildet (vgl. Fig. 4).
Die Gaskontrolleinheit 12a weist zumindest eine weitere Stapelschicht 22a, insbesondere eine Zugasverteilschicht 56a, auf (vgl. Fig. 4). Die Zugasverteilschicht 56a ist zwischen der Mischschicht 30a und der Testschicht 34a angeordnet. Die Zugasverteilschicht 56a begrenzt eine Zugasleitung 58a. Die Zugasleitung 58a verbindet die Teststationen 32a, 36a, 38a, 38’a in Bezug auf einen Gasweg äquidistant mit der zumindest einen Mischkammer 28a.
Die Zugasverteilschicht 56a ist direkt angrenzend an die Mischschicht 30a angeordnet. Die Zugasverteilschicht 56a ist von der Testschicht 34a um zumindest eine Stapelschicht 22a, insbesondere eine Abgaskollektorschicht 66a, beabstandet angeordnet. Der Gasausgang 54a der Mischkammer 28a ist mit der Zugasverteilschicht 56a, insbesondere mit der Zugasleitung 58a gasleitend verbunden. Die Zugasleitung 58a ist auf eine symmetrische Form um eine zentrale Zugaskonnektorausnehmung 60a begrenzt ausgebildet zu einem gleichmäßigen Verbinden der Teststationen 32a, 36a, 38a, 38a’ mit der Mischkammer 28a in Bezug auf den Gasweg von der Mischkammer 28a zu den Teststationen 32a, 36a, 38a, 38a’. Die Zugasleitung 58a ist auf eine X-Form begrenzt in der Zugasverteilschicht 56a ausgebildet (vgl. Draufsicht entlang der Stapelrichtung 48a in Fig. 4). Die Zugasleitung 58a ist an der Zugaskonnektorausnehmung 60a mit der Mischkammer 28a verbunden, insbesondere durch eine gerade, in Stapelrichtung 48a verlaufende, Gasleitung 62a. Die Zugasleitung 58a ist an von der Zugaskonnektorausnehmung 60a beabstandeten Enden mit jeweils einer Teststation 32a, 36a, 38a, 38’a verbunden, insbesondere durch eine gerade, in Stapelrichtung 48a verlaufende, Gasleitung 64a. Die Zugasleitung 58a ist in der Zugasverteilschicht 56a in eine Stapelrichtung 48a unbegrenzt ausgebildet. Die Zugasleitung 58a ist in der Zugasverteilschicht 56a in eine Stapelrichtung 48a mindestens zu 95% begrenzt ausgebildet.
Die Gaskontrolleinheit 12a weist eine weitere Stapelschicht 22a, insbesondere die Abgaskollektorschicht 66a, auf. Die Abgaskollektorschicht 66a ist zwischen der Mischschicht 30a und der Testschicht 34a angeordnet. Die Abgaskollektorschicht 66a begrenzt eine Abgasteilleitung 68a. Die Abgasteilleitung 68a verbindet die Teststationen 32a, 36a, 38a, 38a’ zumindest in Bezug auf einen Gasweg äquidistant mit der Abgasleitung 52a.
Die Abgaskollektorschicht 66a ist zwischen der Mischschicht 30a und der Testschicht 34a angeordnet. Die Abgaskollektorschicht 66a ist direkt angrenzend an die Testschicht 34a angeordnet. Die Abgaskollektorschicht 66a ist von der Mischschicht 30a um zumindest eine Stapelschicht 22a, insbesondere die zumindest eine Zugasverteilschicht 56a, beabstandet angeordnet. Die Abgasleitung 52a ist mit der Abgasteilleitung 68a gasleitend verbunden. Die Abgasteilleitung 68a ist auf eine Form um eine zentrale Abgaskonnektorausnehmung 70a ausgebildet zu einem gleichmäßigen Verbinden der Teststationen 32a, 36a, 38a, 38’a mit der Abgasleitung 52a in Bezug auf den Gasweg von den Teststationen 32a, 36a, 38a, 38’a zu der Abgasleitung 52a (vgl. Draufsicht entlang der Stapelrichtung 48a in Fig. 3). Die Abgasteilleitung 68a ist an von der Abgaskonnektorausnehmung 70a beabstandeten Abgasausnehmungen 71 a mit den Teststationen 32a, 36a, 38a, 38’a verbunden, insbesondere durch eine gerade Gasleitung 72a.
Das Testsystem 10a weist eine Luftgemischleitung 74a auf (vgl. Fig. 1). Die Luftgemischleitung 74a ist zu einer Versorgung der Teststationen 32a, 36a, 38a, 38’a mit einem Luftgemisch ausgebildet Die Luftgemischleitung 74a weist eine Com- monraileinheit 76a auf. Die Commonraileinheit 76a ist zu einem einheitlichen Versorgen der Teststationen 32a, 36a, 38a, 38’a mit dem Luftgemisch. Die Luftgemischleitung 74a ist vollständig außerhalb der Gaskontrolleinheit 12a angeordnet. Das Luftgemisch ist als ein Gemisch von zumindest Stickstoff und zumindest Sauerstoff ausgebildet. Die Commonraileinheit 76a ist durch vier Gasleitungen 78a mit den einzelnen Teststationen 32a, 36a, 38a, 38’a verbunden.
Die Gaskontrolleinheit 12a weist eine Basisschicht 80a auf zu einem Verbinden eines metallischen Ofenbodens 84a mit der Gaskontrolleinheit 12a. Die Gaskontrolleinheit 12a weist eine Abdeckschicht 82a auf, zu einem Abdecken und zu einem auf einer definierten Temperatur Halten der Teststationen 32a, 36a, 38a, 38’a bei einem Testvorgang.
Die Abgasleitung 52a erstreckt sich durch die Mischschicht 30a, durch die Hydra- tionsschicht 26a, durch die Basisschicht 80a, durch die Zugasverteilschicht 56a, teilweise durch die Abgaskollektorschicht 66a jeweils in Stapelrichtung 48a.
Figur 2 zeigt insbesondere die Gaskontrolleinheit 12a in einer teiltransparenten Darstellung mit lediglich einer der Teststationen 32a, 36a, 38’a, 38’a zur besseren Übersicht. Figur 3 zeigt insbesondere die Abgaskollektorschicht 66a in einer Ansicht entlang der Stapelrichtung 48a. Figur 4 zeigt insbesondere die Zugasverteilschicht 56a in einer Ansicht entlang der Stapelrichtung 48a. Insbesondere sind die Zugasverteilschicht 56a und die Abgaskollektorschicht 66a an einer offenen Seite der Abgasteilleitung 68a und der Zugasleitung 58a durch 5 mm starke Goldstreifen 88a mit der nächsten Stapelschicht 22a verbunden zu einem Ausbilden jeweils eines innerhalb durch die Goldstreifen 88a definierten gasdichten Dichtungsbereichs 86a. Figuren 3 und 4 sind schematisch und nicht einheitlich dimensioniert dargestellt und dienen lediglich zum Verständnis. Figur 5 zeigt insbesondere die Testschicht 34a in einer Ansicht entlang der Stapelrichtung 48a mit allen vier Teststationen 32a, 36a, 38a, 38’a in einer beispielhaften Anordnung. Figur 6 zeigt insbesondere die Commonraileinheit 76a in einer Ansicht entlang der Stapelrichtung 48a. Die Commonraileinheit 76a begrenzt einen äußeren Gasflussring 90a zu einem Erzeugen des einheitlichen Luftgemischs. In der Figur 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der Figuren 1 bis 6, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den Figuren 1 bis 6 nachgestellt. In dem Ausführungsbeispiel der Figur 7 ist der Buchstabe a durch den Buchstaben b ersetzt.
Figur 7 zeigt ein alternatives Testsystem 10b. Das Testsystem 10b weist eine Gaskontrolleinheit 12b auf. Die Gaskontrolleinheit 12b weist eine Stapelschicht 22b, insbesondere eine Gasverteilschicht 92b, auf. Die Gasverteilschicht 92b ist als eine einstückige Variante der Abgaskollektorschicht 66a mit der Zugasverteilschicht 56a aus dem vorherigen Ausführungsbeispiel ausgebildet.
Die Gasverteilschicht 92b ist zwischen einer Mischschicht 30b und einer Testschicht 34b angeordnet. Die Gasverteilschicht 92b begrenzt eine Zugasleitung 58b. Die Zugasleitung 58b verbindet vier Teststationen 32b, 36b, 38b, 38b’ zumindest in Bezug auf einen Gasweg äquidistant mit einer Mischkammer 28b. Die Gasverteilschicht 92b begrenzt eine Abgasteilleitung 68b.
Die Abgasteilleitung 68b verbindet die vier Teststationen 32b, 36b, 38b, 38b’ in Bezug auf einen effektiven Gasweg, insbesondere einer Kombination aus Länge des Gaswegs und Geometrie des Gaswegs, von den Teststationen 32b, 36b, 38b, 38b’ zu der Abgasleitung 52b äquidistant mit der Abgasleitung 52b.
Die Zugasleitung 58b ist auf der gleichen Höhe, insbesondere in Bezug auf eine Stapelrichtung 48b, durch die Gasverteilschicht 92b begrenzt wie die Abgasteilleitung 68b. Die Zugasleitung 58b und die Abgasleitung 52b sind durch zumindest 5 mm Material der Gasverteilschicht 92b voneinander beabstandet angeordnet. Die Abgasteilleitung 68b ist auf eine symmetrische Form um eine zentrale Abgaskonnektorausnehmung 70b ausgebildet zu einem gleichmäßigen Verbinden der Teststationen 32b, 36b, 38b, 38b’ mit einer Abgasleitung 52b in Bezug auf einen effektiven Gasweg, insbesondere einer Kombination aus Länge des Gaswegs und Geometrie des Gaswegs, von den Teststationen 32b, 36b, 38b, 38b’ zu der Abgasleitung 52b. Figur 7 zeigt insbesondere die Gasverteilschicht 92b in einer Draufsicht entlang der Stapelrichtung 48b.
Figur 8 zeigt einen Teilausschnitt eines Testsystems 10c. Das Testsystem 10c ist zu einem Charakterisieren von Festoxidzellen ausgebildet. Das Testsystem 10c ist zu einem Charakterisieren von Festoxidzellen bei Temperaturen ab 500°C bis 1000°C ausgebildet. Das Testsystem 10c kann zu einem Charakterisieren von Festoxidzellen bei Temperaturen ab 650°C bis 1000°C ausgebildet sein, insbesondere frei von einem Katalysator 44c.
Das Testsystem 10c weist eine Gaskontrolleinheit 12c auf. Die Gaskontrolleinheit 12c ist zu einem Ausbilden eines einheitlichen Brenngasgemischs, insbesondere eines Anodengases, für die Festoxidzellen ausgebildet. Die Gaskontrolleinheit 12c umfasst hier beispielhaft sieben Stapelschichten 22c. Die Gaskontrolleinheit 12c umfasst eine Teststation 32c, 36c, 38c. Die Teststation 32c, 36c, 38c ist für eine Festoxidzelle ausgebildet. Die Teststation 32c, 36c, 38c ist an einer Testschicht 34c der sieben Stapelschichten 22c angeordnet.
Die Gaskontrolleinheit 12c umfasst zumindest eine weitere Teststation 32c, 36c, 38c. Die weitere Teststation 32c, 36c, 38c ist für eine Festoxidzelle ausgebildet. Die weitere Teststation 32c, 36c, 38c ist an der Testschicht 34c der sieben Stapelschichten 22c angeordnet. Die Gaskontrolleinheit 12c umfasst zwei zusätzliche Teststationen 32c, 36c, 38c. Die zusätzlichen Teststationen 32c, 36c, 38c sind für jeweils eine Festoxidzelle ausgebildet. Die zusätzlichen Teststationen 32c, 36c, 38c sind an der Testschicht 34c der sieben Stapelschichten 22c angeordnet. Alle Teststationen 32c, 36c, 38c sind gleich, insbesondere geformt, ausgebildet. Die Teststation 32c, 36c, 38c ist analog zu der weiteren Teststation 32c, 36c, 38c ausgebildet. Die zusätzlichen Teststationen 38c sind analog zu der Teststation 32c, 36c, 38c und zu der weiteren Teststation 32c, 36c, 38c ausgebildet. Jede Teststation 32c, 36c, 38c weist einen Gaseingang 40c für das Anodengas, insbesondere das Brenngasgemisch, auf (vgl. Fig. 2). Die Gaseingänge 40c sind in Bezug auf einen Gasweg von einer Mischkammer, gleich weit von der zumindest einen Mischkammer, insbesondere von einem Gasausgang der Mischkammer, entfernt angeordnet. Jede Teststation 32c, 36c, 38c weist einen Gasausgang 41 c für das Anodengas, insbesondere das Brenngasgemisch, auf. Das Anodengas weist jeweils in jeder der Teststationen 32c, 36c, 38c eine definierte Anodengasströmungsrichtung 94c auf. Die Anodengasströmungsrichtung 94c verläuft parallel zu einer Haupterstreckungsebene 96c der Teststationen 32c, 36c, 38c von dem Gaseingang 40c für das Anodengas zu dem Gasausgang 41 c für das Anodengas.
Das Testsystem 10c ist zu einem gleichzeitigen und zeitlich versetzten Charakterisieren von gleichartigen und von verschiedenartigen Festoxidzellen ausgebildet. Einzelne oder alle der Festoxidzellen können dabei beispielsweise als anodengestützte, meta II gestützte, kathodengestützte, inertgestützte und/oder elektrolytgestützte Festoxidzellen ausgebildet sein. Das Testsystem 10c ist zu einem Charakterisieren von bis zu vier Festoxidzellen gleichzeitig ausgebildet. Eine Festo- xidzelle kann beispielsweise als Festoxidbrennstoffzelle oder Festoxidelektrolyse- zelle ausgebildet sein.
Das Testsystem 10c ist zu einem Charakterisieren von Festoxidzellen in einer Temperaturspanne von 500°C bis 850°C ausgebildet.
Die Gaskontrolleinheit 12c ist aus einer Keramik, bevorzugt einer Vollkeramik, insbesondere einer Oxidkeramik, wie beispielsweise Aluminiumoxid ausgebildet. Insbesondere sind die Stapelschichten 22c der Gaskontrolleinheit 12c bevorzugt aus der Keramik, insbesondere der Oxidkeramik, wie beispielsweise Aluminiumoxid ausgebildet.
Das Testsystem 10c weist eine Luftgemischleitung 74c auf (vgl. Fig. 1). Die Luftgemischleitung 74c ist zu einer Versorgung der Teststationen 32c, 36c, 38c mit einem Luftgemisch ausgebildet. Die Luftgemischleitung 74c weist eine Common- raileinheit auf. Die Commonraileinheit ist zu einem einheitlichen Versorgen der Teststationen 32c, 36c, 38c mit dem Luftgemisch. Es wäre jedoch auch denkbar, dass für jede Teststation 32c, 36c, 38c eine eigene Luftgemischversorgung, insbesondere Kathodengasversorgung, vorgesehen ist Die Luftgemischleitung 74c ist vollständig außerhalb der Gaskontrolleinheit 12c angeordnet. Das Luftgemisch ist als ein Gemisch von zumindest Stickstoff und zumindest Sauerstoff ausgebildet. Es wäre jedoch auch eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Ausgestaltung des Luftgemischs denkbar, so wäre insbesondere denkbar, dass das Luftgemisch von reinem Sauerstoff gebildet ist. Die Luftgemischleitung 74c ist zu einer Versorgung der Teststationen 32c, 36c, 38c mit einem Kathoden- gas ausgebildet. Das Kathodengas ist insbesondere von einem Oxidationsgas gebildet. Das Kathodengas ist insbesondere von dem Luftgemisch gebildet. Die Commonraileinheit ist durch vier Gasleitungen 78c mit den einzelnen Teststationen 32c, 36c, 38c verbunden.
Ferner weist das Testsystem 10c zumindest eine Gasversorgungseinheit 98c, 100c auf, welche zwischen den Gasleitungen 78c und den einzelnen Teststationen 32c, 36c, 38c angeordnet ist. Das Testsystem 10c umfasst beispielhaft vier Gasversorgungseinheiten 98c, 100c, von denen beispielhaft nur zwei dargestellt sind, welche jeweils zwischen einer der Gasleitungen 78c und einer der Teststationen 32c, 36c, 38c angeordnet sind. Die Gasversorgungseinheiten 98c, 100c bildet insbesondere einen Teil der Luftgemischleitung 74c. Die Gasversorgungseinheiten 98c, 100c weisen jeweils einen Grundkörper 102c, 102’c auf. Die Grundkörper 102c, 102’c begrenzen jeweils einen Gaskanal 104c, 104’c, welcher eingangsseitig mit einer der Gasleitungen 78c verbunden ist. Die Gaskanäle 104c, 104’c erstrecken sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Stapelrichtung 48c der Gaskontrolleinheit 12c durch den jeweiligen Grundkörper 102c, 102’c. Die Gaskanäle 104c, 104’c erstrecken sich in einem radialen Außenbereich von unten axial in den Grundkörper 102c, 102c‘, anschließend radial von dem radialen Außenbereich der Grundkörper 102c, 102’c nach innen und knicken jeweils mit einem 90°-Knick axial in Richtung einer Testschicht 34c ab. In den Figuren 8 und 9 sind die Gaskanäle 104c, 104’c beispielhaft zusätzlich, insbesondere aus Gründen der Hersteilbarkeit, zu einer radialen Außenseite hin geöffnet. Eine entsprechende Öffnung muss, wie in den Figuren angedeutet, vor Benutzung verschlossen werden, beispielsweise durch Verglasen. Die Grundkörper 102c, 102’c ragen jeweils radial teilweise über die Gaskontrolleinheit 12c hinaus, wobei eine Eingangsöffnung der Gaskanäle 104c, 104’c jeweils radial neben der Gaskontrolleinheit 12c angeordnet ist Ausgangsseitig der Gaskanäle 104c, 104’c ist eine Gasverteil platte 106c, 106’c der Gasversorgungseinheiten 98c, 100c angeordnet Die Gasversorgungseinheiten 98c, 100c weisen jeweils eine Gasverteilplatte 106c, 106c‘ auf. Die Gasverteilplatten 106c, 106c‘ sind jeweils dazu vorgesehen, das Kathodengas einer der Teststationen 32c, 36c, 38c zuzuführen. Die Gasverteilplatten 106c, 106c‘ weisen dazu jeweils eine Ausnehmung auf, welche überdeckend zu einer der Teststationen 32c, 36c, 38c angeordnet ist. Die Gasverteilplatten 106c, 106c‘ sind jeweils dazu vorgesehen, das Kathodengas aus einem der Gaskanäle 104c, 104’c in die Ausnehmung zu leiten. In der Ausnehmung ist jeweils ein Flow-Field-Element 108c, 108’c der Gasversorgungseinheiten 98c, 100c angeordnet, welches dazu vorgesehen ist, einer Gasdiffusionsschicht und/oder einer Katalysatoroberfläche einer der Teststationen 32c, 36c, 38c eine angemessene Menge Kathodengas zuführen und gleichzeitig den Druckabfall zu minimieren. Die Gasversorgungseinheiten 98c, 100c weisen jeweils ein Flow- Field-Element 108c, 108’c auf. Die Flow-Field-Elemente 108c, 108’c sind insbesondere jeweils axial beweglich in einer der Ausnehmungen gelagert. Die Grundkörper 102c, 102’c weisen jeweils eine zu jeweils einer der Ausnehmungen korrespondierende Ausnehmung 110c, 110’c auf, welche zu einer zusätzlichen Führung eines der Flow-Field-Elemente 108c, 108’c vorgesehen ist. Die Gasversorgungseinheiten 98c, 100c weisen jeweils einen Stempel 112c, 112’c auf, welcher zu einer Bewegung und/oder einer Veränderung des Drucks eines der Flow- Field-Elemente 108c, 108’c vorgesehen ist. Die Stempel 112c, 112’c sind jeweils beweglich in dem Grundkörper 102c, 102’c der jeweiligen Gasversorgungseinheit 98c, 100c gelagert. Die Flow-Field-Elemente 108c, 108’c weisen jeweils eine Eingangsseite, welche radial auf einer dem jeweiligen Gaskanal 104c, 104’c zugewandten Seite angeordnet ist, und eine Ausgangsseite auf, welche auf einer der Eingangsseite gegenüberliegenden Seite der Ausnehmung angeordnet ist. Das Kathodengas weist jeweils in jedem der Flow-Field-Elemente 108c, 108’c eine definierte Kathodengasströmungsrichtung 114c auf. Die Kathodengasströmungs- richtung 114c verläuft parallel zu der Haupterstreckungsebene 96c der Teststationen 32c, 36c, 38c. Eine Kathodengaszuführung erfolgt daher parallel zur aktiven Fläche der Teststationen 32c, 36c, 38c. Dadurch liegen vorzugsweise zwei definierte Flussvarianten vor, und zwar eine Counter-Flow-Flussvariante und eine Co-Flow-Flussvariante. Bei der Co-Flow- Flussvariante fließen das Anodengas und das Kathodengas beide in identischer Richtung über die Teststation 32c, 36c, 38c. Die Kathodengasströmungsrichtung 114c und die Anodengasströmungsrichtung 94c verlaufen daher parallel und gleichgerichtet. Die Co-Flow-Flussvariante ist beispielhaft bei der ersten Gasversorgungseinheit 98c in Figur 9 dargestellt. Bei der Counter-Flow-Flussvariante fließen das Anodengas und das Kathodengas entgegengesetzt über die Teststation 32c, 36c, 38c. Die Kathodengasströmungsrichtung 114c und die Anodengasströmungsrichtung 94c verlaufen daher parallel und entgegengesetzt, insbesondere antiparallel. Die Co-Flow-Flussvariante ist beispielhaft bei der zweiten Gasversorgungseinheit 100c in Figur 9 dargestellt. Durch diese Anordnungen lassen sich nun Temperatur- und Konzentrationsgradienten über die Teststationen 32c, 36c, 38c einstellen und simulieren und der Gasumsatz auf Anoden- und Katho- denseite kann exakt bestimmt werden. Dies ist bei der Entwicklung von Zellmodellen hilfreich und verbessert die Übertragbarkeit der Zellergebnisse auf größere Zellen bzw. Stacks. Der Aufbau ermöglicht außerdem Konfigurationen mit Teststationen 32c, 36c, 38c in der Co-Flow-Flussvariante und gleichzeitig Teststationen 32c, 36c, 38c in der Counter-Flussvariante, so dass beispielsweise zwei der vier Teststationen 32c, 36c, 38c im Co-Flow und zwei im Counter-Flow innerhalb desselben Tests betrieben werden können. Hierdurch können Simulationen von damit verbundenen Temperatur- und Konzentrationsgradienten über den Teststationen 32c, 36c, 38c durchgeführt werden, wodurch wertvolle Vergleichsdaten für die Modellentwicklung oder -Validierung in Bezug auf Geometrien mit der Coun- ter-Flow-Flussvariante oder der Co-Flow-Flussvariante ermittelt werden können. Diese Informationen können ferner verwendet werden für eine genaue Berechnung des Brennstoff- und Oxidationsgasumsatzes.
Die Gasversorgungseinheiten 98c, 100c sind auf Aluminiumoxidbasis aufgebaut, was den Einsatz in einer Vielzahl von Ofentypen ermöglicht. Es können insbesondere Temperaturen bis 1000 °C korrosionsfrei eingesetzt werden, z. B. in Flügeltür- und Haubenöfen.

Claims

Ansprüche
1 . Testsystem zu einem Charakterisieren von Festoxidzellen, bevorzugt bei Temperaturen ab 500°C bis 850°C, mit zumindest einer Gaskontrolleinheit (12a; 12b; 12c) zu einem Ausbilden eines einheitlichen Brenngasgemischs für die Festoxidzellen, mit zumindest einer Brenngasgemischleitung (16a; 16b), mit zumindest einer Wasserstoffgasleitung (18a; 18b), und insbesondere mit zumindest einer Sauerstoffgasleitung (20a; 20b), wobei die zumindest eine Gaskontrolleinheit (12a; 12b; 12c) zumindest drei Stapelschichten (22a; 22b; 22c), zumindest eine Hydrationseinheit (24a; 24b), die zu einer Befeuchtung des einheitlichen Gasgemischs ausgebildet ist, die insbesondere direkt gasleitend mit der zumindest einen Wasserstoffgasleitung (18a; 18b) und/oder mit der zumindest einen Sauerstoffgasleitung (20a; 20b) verbunden ist, und die in einer Hydrationsschicht (26a; 26b) der zumindest drei Stapelschichten (22a; 22b; 22c) angeordnet ist, zumindest eine direkt gasleitend mit der Brenngasgemischleitung (16a; 16b) und der Hydrationseinheit (24a; 24b) verbundene Mischkammer (28a; 28b), die zu einem Ausbilden des einheitlichen Gasgemischs ausgebildet ist und die in einer Mischschicht (30a; 30b) der zumindest drei Stapelschichten (22a; 22b; 22c) angeordnet ist, und zumindest eine Teststation (32a, 36a, 38a, 38a’; 32b, 36b, 38b, 38b’; 32c, 36c, 38c) für eine Festoxidzelle, welche an einer Testschicht (34a; 34b; 34c) der zumindest drei Stapelschichten (22a; 22b; 22c) angeordnet ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaskontrolleinheit (12a; 12b; 12c) zumindest eine weitere Teststation (32a, 36a, 38a, 38a’; 32b, 36b, 38b, 38b’; 32c, 36c, 38c) für zumindest eine weitere Festoxidzelle aufweist, welche an der Testschicht (34a; 34b; 34c) angeordnet ist. Testsystem nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine Abgasleitung (52a; 52b) zu einem Abführen von Abgas von der zumindest einen Teststation (32a, 36a, 38a, 38a’; 32b, 36b, 38b, 38b’; 32c, 36c, 38c) und der zumindest einen weiteren Teststation (32a, 36a, 38a, 38a’; 32b, 36b, 38b, 38b’; 32c, 36c, 38c), wobei die zumindest eine Abgasleitung (52a; 52b) zumindest abschnittsweise in zumindest einer von der Testschicht (34a; 34b; 34c) verschiedenen Stapelschicht (22a; 22b; 22c) der zumindest drei Stapelschichten (22a; 22b; 22c) angeordnet ist Testsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Teststation (32a, 36a, 38a, 38a’; 32b, 36b, 38b, 38b’; 32c, 36c, 38c) und die zumindest eine weitere Teststation (32a, 36a, 38a, 38a’; 32b, 36b, 38b, 38b’; 32c, 36c, 38c) zumindest in Bezug auf einen Gasweg von der Mischkammer (28a; 28b) zu den jeweiligen Teststationen (32a, 36a, 38a, 38a’; 32b, 36b, 38b, 38b’; 32c, 36c, 38c) gleich weit von der Mischkammer (28a; 28b) beabstandet angeordnet sind. Testsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaskontrolleinheit (12a; 12b; 12c) zumindest eine, bevorzugt zumindest zwei, zusätzliche Teststationen (32a, 36a, 38a, 38a’; 32b, 36b, 38b, 38b’; 32c, 36c, 38c), welche an der Testschicht (34a; 34b; 34c) angeordnet ist, aufweist. Testsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaskontrolleinheit (12a; 12b; 12c) zumindest eine weitere Stapelschicht (22a; 22b; 22c), insbesondere eine Zugasverteilschicht (56a; 56b), aufweist, welche zwischen der Mischschicht (30a; 30b) und der Testschicht (34a; 34b; 34c) angeordnet ist und welche eine Zugasleitung (58b) begrenzt, welche die zumindest eine Teststation (32a, 36a, 38a, 38a’; 32b, 36b, 38b, 38b’; 32c, 36c, 38c) und die zumindest eine weitere Teststation (32a, 36a, 38a, 38a’; 32b, 36b, 38b, 38b’; 32c, 36c, 38c) zumindest in Bezug auf einen Gasweg äquidistant mit der zumindest einen Mischkammer (28a; 28b) verbindet. 6. Testsystem zumindest nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaskontrolleinheit (12a; 12b; 12c) zumindest eine weitere Stapelschicht (22a; 22b; 22c), insbesondere eine Abgaskollektorschicht (66a; 66b), aufweist, welche zwischen der Mischschicht (30a; 30b) und der Testschicht (34a; 34b) angeordnet ist und welche eine Abgasteilleitung (68a; 68b) begrenzt, welche die zumindest eine Teststation (32a, 36a, 38a, 38a’; 32b, 36b, 38b, 38b’; 32c, 36c, 38c) und die zumindest eine weitere Teststation (32a, 36a, 38a, 38a’; 32b, 36b, 38b, 38b’; 32c, 36c, 38c) zumindest in Bezug auf einen Gasweg äquidistant mit der zumindest einen Abgasleitung (52a; 52b) verbindet.
7. Testsystem zumindest nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaskontrolleinheit (12b) zumindest eine weitere Stapelschicht (22b), insbesondere eine Gasverteilschicht (92b), aufweist, welche zwischen der Mischschicht (30b) und der Testschicht (34b) angeordnet ist und welche eine Zugasleitung (58b) begrenzt, welche die zumindest eine Teststation (32b, 36b, 38b, 38b’) und die zumindest eine weitere Teststation (32b, 36b, 38b, 38b’) zumindest in Bezug auf einen Gasweg äquidistant mit der zumindest einen Mischkammer (28b) verbindet und welche eine Abgasteilleitung (68b) begrenzt, welche die zumindest eine Teststation (32b, 36b, 38b, 38b’) und die zumindest eine weitere Teststation (32b, 36b, 38b, 38b’) zumindest in Bezug auf einen Gasweg äquidistant mit der zumindest einen Abgasleitung (52b) verbindet
8. Testsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Luftgemischleitung (74a; 74b; 74c) zu einer Versorgung der zumindest einen Teststation (32a, 36a, 38a, 38a’; 32b, 36b, 38b, 38b’; 32c, 36c, 38c) und der zumindest einen weiteren Teststation (32a, 36a, 38a, 38a’; 32b, 36b, 38b, 38b’; 32c, 36c, 38c) mit einem Luftgemisch, welche zumindest eine Commonraileinheit (76a; 76b) aufweist zu einem einheitlichen Versorgen der zumindest einen Teststation (32a, 36a, 38a, 38a’; 32b, 36b, 38b, 38b’; 32c, 36c, 38c) und der zumindest einen weiteren Teststation (32a, 36a, 38a, 38a’; 32b, 36b, 38b, 38b’; 32c, 36c, 38c) mit dem Luftgemisch. Testsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Gasversorgungseinheit (98c, 100c) zu einer direkten Versorgung der zumindest einen Teststation (32c, 36c, 38c) und/oder der zumindest einen weiteren Teststation (32c, 36c, 38c) mit einem Luftgemisch, insbesondere einem Kathodengas. Testsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Gasversorgungseinheit (98c, 100c) zumindest einen Gaskanal (104c, 104’c) zu einer Führung des Luftgemischs, insbesondere des Katho- dengases, aufweist, welcher sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Stapelrichtung (48c) der Gaskontrolleinheit (12c) erstreckt. Testsystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Gasversorgungseinheit (98c, 100c) ein Flow-Field-Element (108c, 108’c) aufweist, welches dazu vorgesehen ist das Luftgemisch, insbesondere Kathodengas, in einer definierten Kathodengasströmungsrich- tung (114c) parallel zu der Haupterstreckungsebene (96c) der Teststationen (32c, 36c, 38c) an der zumindest einen Teststation (32c, 36c, 38c) und/oder der zumindest einen weiteren Teststation (32c, 36c, 38c) vorbeizuführen. Testsystem nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Flow-Field-Element (108c, 108’c) eine radial außenliegende Eingangsseite und eine Ausgangsseite aufweist, welche auf einer der Eingangsseite gegenüberliegenden Seite des Flow-Field-Elements (108c,
108’c) angeordnet ist. Luftgemischleitung eines Testsystems (10a; 10b; 10c) zumindest nach Anspruch 8. Testsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , insbesondere nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Hydrati- onseinheit (24a; 24b) eine Reaktionskammer (42a; 42b) zu einer Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff und zumindest einen Katalysator (44a; 44b), bevorzugt Edelmetallkatalysator, aufweist, welche in Bezug auf einen Gasfluss vor der zumindest einen Mischkammer (28a; 28b) angeordnet ist, und welche direkt gasleitend mit der zumindest einen Wasserstoffgasleitung (18a; 18b) und mit der zumindest einen Sauerstoffgasleitung (20a; 20b) verbunden ist Testsystem nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Abgasleitung (52a; 52b) zu einem Abführen von Abgas von der zumindest einen Teststation (32a, 36a, 38a, 38a’; 32b, 36b, 38b, 38b’; 32c, 36c, 38c), wobei die zumindest eine Abgasleitung (52a; 52b) zumindest abschnittsweise in zumin- dest einer von der Testschicht (34a; 34b) verschiedenen Stapelschicht
(22a; 22b; 22c) der zumindest drei Stapelschichten (22a; 22b; 22c) angeordnet ist. Gaskontrolleinheit (12a; 12b; 12c) eines Testsystems (10a; 10b; 10c) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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US20050263393A1 (en) * 2004-04-30 2005-12-01 Franklin Fuel Cells, Inc. System and method of performing electrochemical tests of solid oxide fuel cells
CN213988951U (zh) * 2020-12-01 2021-08-17 中国科学院大连化学物理研究所 一种平板型固体氧化物燃料电池测试装置
DE202021106495U1 (de) * 2021-11-23 2021-12-15 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Testsystem, Luftgemischleitung und Gaskontrolleinheit

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