WO2025007176A1 - Testsystem zur prüfung von brennstoffzellen oder brennstoffzellenstapeln - Google Patents

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WO2025007176A1
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anode gas
unit
test
testing
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Joachim Fischer
Michael Standke
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    • 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
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    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a test system for testing fuel cells or fuel cell stacks with a fuel cell or a fuel cell stack and a test unit which has an anode gas supply unit, a cathode gas supply unit, a conditioning unit, and a control unit and an evaluation unit via which measured values can be recorded on the fuel cell or the fuel cell stack.
  • test systems are used, for example, for performance characterization, model validation, durability testing, determination of degradation or design verification. They can also be used to optimize the control of fuel cells.
  • the cold start behavior, start-stop behavior, dynamic behavior, energy and thermal management as well as the aging of the fuel cells can be tested in different cycles.
  • a defined supply of the individual fuel cells or the fuel cell stacks to be tested with the appropriate media must be ensured, which must be regulated in a narrow pressure, temperature, humidity and mass flow range depending on the operating point.
  • test systems consist of test units that contain or simulate the complete periphery of the fuel cell, so that only the fuel cell or the fuel cell stack needs to be connected.
  • the anode gas supply unit of these test units has, among other things, a permanently integrated anode gas feed unit, via which the anode gas to the fuel cell. Unused anode gas is separated via the exhaust gas on the anode side of the fuel cell.
  • the problem with this design is the amount of unused hydrogen that is discharged with the exhaust gas, which leads to high costs when carrying out the test runs.
  • the fuel cells cannot be tested with their own peripherals, which means that, for example, degradation of the devices supplying the fuel cell cannot be determined and thus optimization of the peripherals is not possible.
  • the costs of producing the test unit are also very high.
  • the task is therefore to provide a test system that can be manufactured and operated more cost-effectively and with which it is possible to recreate as realistic conditions as possible in the environment of the fuel cell, so that devices in the area of gas supply can also be optimized.
  • the test system according to the invention for testing fuel cells or fuel cell stacks has a usually stationary test unit which is connected to a fuel cell or fuel cell stack to be tested, such as a PEM fuel cell stack.
  • the test unit has an anode gas supply unit and a cathode gas supply unit. These are used to condition, regulate and, if necessary, convey the hydrogen and the air or oxygen.
  • the test unit also has a conditioning unit, via which the fuel cell stack is heated to defined Temperatures can be cooled and, if necessary, heated.
  • a control unit is used to control and regulate the test unit and an evaluation unit is used to record and evaluate measured values taken from the fuel cell or fuel cell stack. Of course, measured values from a downstream energy storage unit or from additional pressure, temperature or humidity sensors in the test unit can also be evaluated here.
  • the fuel cell or the fuel cell stack is connected on the anode gas side to an anode gas recirculation system, in particular an anode gas recirculation blower, via which anode gas flowing out of an anode gas outlet of the fuel cell or the fuel cell stack can be returned to an anode gas inlet of the fuel cell or the fuel cell stack.
  • anode gas recirculation system in particular an anode gas recirculation blower
  • connections for connecting the anode gas recirculation system to the fuel cell can be provided on the test unit.
  • the anode gas recirculation system can either be part of the test unit and be permanently installed or can be mounted on the test unit.
  • the recirculation systems already used in the vehicle can also be used on the test bench and the fuel cell can thus be tested with regard to recirculation under real conditions.
  • the fuel cell can also be tested with different recirculation systems if necessary, so that it can also be measured which recirculation system improves or worsens the performance of the fuel cell.
  • the particular advantage of using the recirculation system in the test system is that unconverted hydrogen is not simply discharged with the anode exhaust gas, but can be reused by the fuel cell through the anode gas recirculation system, which significantly reduces hydrogen consumption during testing.
  • water consumption is also reduced, since PEM fuel cells require a certain humidity, so water must be added if the water vapor is not recirculated back into the fuel cell. Accordingly, the cost of carrying out the test is reduced.
  • the anode gas supply unit preferably has at least one anode gas source, an anode gas supply line, a mass flow regulator and a pressure control valve. Hydrogen can thus be supplied to the test system in a defined and controllable mass flow and a defined pressure. In addition, temperature conditioning can also be provided.
  • the test unit also has an energy storage unit to which the fuel cell or fuel cell unit can be electrically connected and which preferably enables a measurement of the energy generated.
  • the energy to start the fuel cell can also be made available via this energy storage unit.
  • the energy storage unit can also be understood as a unit that feeds the energy generated into a power grid.
  • the test unit preferably has a receiving unit for the fuel cell or the fuel cell stack, on which the fuel cell is placed and on which the corresponding connections are provided in order to integrate the fuel cell into the test system.
  • This receiving unit is located in a climate chamber of the conditioning unit of the test unit, via which the fuel cell can be exposed to defined temperatures, pressures and air humidity, whereby precise measurements can be carried out even under different ambient conditions.
  • the test unit has a first receptacle for connecting a cathode gas feed unit, a second receptacle for Connection of an anode gas feed unit and a third receptacle for connecting the anode gas recirculation system.
  • the feed units do not have to be provided on the test unit itself. Instead, either the feed devices that will later be used in the vehicle can be used or, alternatively, existing units can be attached to the test bench. This means that the fuel cell can be tested with its peripherals without additional simulation or tests can be carried out with different peripherals, which further increases the significance of the performance and degradation tests carried out.
  • the set-up time is kept very low.
  • the anode gas feed unit is preferably fluidically connected to the control unit via an electrical interface of the test unit and to the anode gas supply unit via the anode gas supply line, which opens into an anode gas interface of the test unit. This allows the anode gas feed unit used to be easily replaced.
  • the anode gas feed unit does not have to be designed as part of the test unit.
  • the anode gas supply unit has a water supply line via which water from a water supply unit can be supplied to the anode gas supply line. Accordingly, the necessary water content of the fuel cell or the fuel cell stack can be ensured and drying out of the fuel cell can be prevented, which would lead to premature degradation.
  • the water supply line opens upstream of the anode gas interface for connection to the anode gas feed unit into the Anode gas supply line, so that the water or water vapor can be conveyed via the anode gas conveying unit and no separate conveying unit is necessary.
  • the moisture content of the supplied anode gas flow can also be determined in the area of the anode gas conveying line in this way.
  • the test unit preferably has a purge gas source that can be connected to the anode gas interface, whereby a connection can be established either to the purge gas source or to the anode gas supply unit via a switching valve. Accordingly, the anode gas supply unit can be purged between the various test runs in order to avoid falsification of the measurement results and to prevent stagnant hydrogen in the system during longer breaks between tests.
  • the control unit and/or the evaluation unit of the test unit is electrically connected to the energy storage unit and the conditioning unit and can be connected to the anode gas feed unit, the cathode gas feed unit and the anode gas recirculation system. This means that the entire test system can be controlled via the control unit after the feed units and the anode gas recirculation system have been connected. Separate control units are not necessary. Accordingly, all control data is available in the system and can be used for evaluation.
  • the test unit has an interface unit which has a first anode gas channel, via which a fluidic connection can be established between an anode gas outlet of the anode gas feed unit and an anode gas inlet of the fuel cell or the fuel cell stack, a cathode gas channel, via which a fluidic connection can be established between a cathode gas outlet of the Cathode gas feed unit and a cathode gas inlet of the fuel cell or fuel cell stack, a second anode gas channel via which a fluidic connection can be established between the anode gas outlet of the fuel cell or fuel cell stack and an anode gas inlet of the anode gas recirculation system, and a third anode gas channel via which a fluidic connection can be established between an anode gas outlet of the anode gas recirculation system and the anode gas inlet of the fuel cell or fuel cell stack.
  • Such an interface unit can be used to easily connect all three feed units to the test unit.
  • the test unit also has a simulation unit via which operating states, load states and driving cycles of a vehicle can be simulated on the fuel cell or the fuel cell unit, so that the fuel cell can be tested in different load states under realistic conditions.
  • the test unit also has temperature sensors, pressure sensors, humidity sensors and mass flow meters, the data from which are available for evaluation by the evaluation unit and for setting the control unit and enable precise control and evaluation.
  • the anode gas supply unit and the cathode gas supply unit have a conditioning device or are arranged together in a conditionable chamber, which can also be the conditioning chamber of the fuel cell.
  • a conditionable chamber which can also be the conditioning chamber of the fuel cell.
  • This enables the supplied gas to be conditioned to different operating conditions.
  • This provides a test system that can be used to carry out highly accurate load and degradation tests for different environmental conditions.
  • the test system can also be easily adapted to the feed units via the fixed test unit by providing different holders that allow these units to be easily replaced. This means that the test system can be manufactured more cost-effectively. Above all, the costs of carrying out the test runs are reduced by using the recirculation system, as hydrogen consumption can be reduced considerably, while at the same time the test conditions are adapted to the actual setup in the vehicle.
  • FIG. 1 An embodiment of a test system according to the invention is shown in Figure 1 and is described below. For the sake of simplicity, only one fuel cell is mentioned below, although this can be replaced by a fuel cell stack as desired.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a test system according to the invention.
  • test system consists of a test unit 10 which is usually installed stationary and which has an anode gas supply unit 12 and a cathode gas supply unit 14 as well as at least one conditioning unit 16.
  • the anode gas supply unit 12 consists of an anode gas source 18, which can be designed as a hydrogen gas bottle, and an anode gas supply line 20, in which a mass flow regulator 22, a pressure regulating valve 24 and a temperature sensor 26 are arranged.
  • a water supply line 28 opens into the anode gas supply line 20, via which water from a water supply unit 30 can be supplied to the anode gas flow.
  • the anode gas from the Anode gas supply unit 12 is controlled in terms of temperature and pressure via a conditioning device 31.
  • the cathode gas supply unit 14 consists of a cathode gas source 32, which can either be an oxygen bottle or simply the surrounding air, and a cathode gas supply line 34, in which a pressure regulating valve 36, a mass flow regulator 38 and a temperature sensor 40 are arranged.
  • the cathode gas of the cathode gas supply unit 14 is also conditioned via a conditioning device 41.
  • the conditioning unit 16 serves to regulate the pressure, humidity and temperature in a climate chamber 42, in which a receiving unit 44 is designed for fastening and arranging a fuel cell 46 to be tested, which has a cathode gas inlet 48 and an anode gas inlet 50 for supplying the fuel cell 46 with the anode gas and the cathode gas, which are led out of the climate chamber 42, as well as an anode gas outlet 52 and a cathode gas outlet 54, through which the gas flowing there is discharged as exhaust gas.
  • Fuel cell 46 are connected to an interface unit 56 in which a cathode gas channel 58 is formed, which is connected to a
  • Cathode gas outlet 60 of a cathode gas feed unit 62 This can either be a fixed part of the test unit 10 or be formed by the cathode gas feed unit 62, which is also to be installed later with the fuel cell 46 to be tested. Accordingly, the test unit 10 has a first receptacle 64 to which the cathode gas feed unit 62 can be attached and connected to the test unit 10.
  • the cathode gas feed unit 62 is connected to the Cathode gas supply line 34 is connected via a cathode gas interface 68 so that it can convey the air supplied via the cathode gas supply unit 14 to the fuel cell 46.
  • the interface unit 56 has a first anode gas channel 70, which extends from an anode gas outlet 72 of an anode gas feed unit 74 to the anode gas inlet 50 of the fuel cell 46.
  • the anode gas feed unit 74 is attached to a further receptacle 76 of the test unit 10 and can also either be part of the test unit 10 itself or be formed by the anode gas feed unit 74, which later serves, for example, in the vehicle to supply the fuel cell 46 with anode gas.
  • the anode gas feed unit 74 is connected to the anode gas supply line 20 via an anode gas interface 78 of the test unit 10, so that a hydrogen stream, possibly enriched with water via the water supply unit 30, is fed to the anode gas feed unit 74 and to the fuel cell 46.
  • the interface unit 56 also has a second anode gas channel 80, which is connected on the one hand to the anode gas outlet 52 of the fuel cell 46 and on the other hand to an anode gas inlet 82 of an anode gas recirculation blower 84.
  • anode gas recirculation blower 84 any other anode gas recirculation system can be used.
  • unused hydrogen from the fuel cell 46 is returned to it via a third anode gas channel 86, which is formed in the interface unit 56. This thus extends from an anode gas outlet 88 of the anode gas recirculation blower 84 to the anode gas inlet 50 of the fuel cell 46.
  • either a second anode gas inlet to the fuel cell 46 can be provided on the test unit 10 or the first anode gas channel 70 and the third anode gas channel 86 are in the Interface unit 56 and thus open together at the anode gas inlet 50 of the fuel cell 46.
  • a third receptacle 90 is formed on the test unit 10, to which the anode gas recirculation blower 84 can be attached and connected.
  • the anode gas recirculation blower 84 can therefore either be part of the test unit or be attached there subsequently, in particular if the anode gas recirculation blower 84 later used in the vehicle, for example, is also to be used in the test system for testing the fuel cell 46.
  • the test unit 10 also has an energy storage unit 92 in which the electricity generated by the fuel cell 46 can be stored. This can also be used to partially supply electricity to the test unit 10. The amount of electricity generated can be determined at this energy storage unit 92 in order to be able to make a statement about the performance of the fuel cell 46.
  • test unit 10 has a control unit 94 and an evaluation unit 96, which can in particular be integrated together in a unit, which can additionally have a simulation unit 98, via which various load and ambient conditions are realistically simulated by appropriate controls.
  • the control unit 94 is in particular connected to the anode gas recirculation blower 84, the anode gas feed unit 74 and the cathode gas feed unit 62 via electrical interfaces 100 in order to be able to regulate them.
  • the conditioning devices 31, 41 and the conditioning unit 16 are controlled via the control unit 94.
  • the evaluation unit 96 is connected to the energy storage unit 92 and various pressure sensors 102, mass flow meters 104, humidity sensors 106 and temperature sensors 26, 40, 108 present in the system in a known manner in order to achieve the most precise possible To be able to carry out evaluations of the fuel cell 46 during the performance tests and on degradation.
  • the anode gas feed unit 74 and the anode gas recirculation blower 84 can be connected to a purge gas source 110 in order to purge the anode gas feed unit 74 and the anode gas recirculation blower 84 with an inert gas and thus remove the hydrogen from the system.
  • Connecting lines 112, 114 are used for this purpose, of which the first connecting line 112 opens into the anode gas interface 78, with a switching valve 116 being arranged at the branch.
  • the second connecting line 114 opens into the line before or at the anode gas inlet 82 of the anode gas recirculation blower 84, with a switching valve 118 also being arranged at the branch.
  • This test system uses significantly less hydrogen than other test systems by using the anode gas recirculation blower and the associated return of unused hydrogen on the anode gas side.
  • the design of the permanently installed test unit enables easy connection of feed units with which the fuel cell is also operated during later operation, which on the one hand reduces the cost of the test unit and on the other hand achieves results that correspond to the later real conditions.
  • control and regulation units as well as existing measuring instruments can also be arranged or supplemented differently.
  • the receptacles and interfaces can also be designed as desired or several individual interfaces can be used.

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Abstract

Es sind Testsysteme zur Prüfung von Brennstoffzellen (46) oder Brennstoffzellenstapeln mit einer Brennstoffzelle (46) oder einem Brennstoffzellenstapel und einer Testeinheit (10), welche eine Anodengasversorgungseinheit (12), eine Kathodengasversorgungseinheit (14), eine Konditioniereinheit (16), und eine Steuereinheit (94) und eine Auswerteeinheit (96) aufweist, über die Messwerte an der Brennstoffzelle (46) oder des Brennstoffzellenstapels aufnehmbar sind, bekannt. Um den Wasserstoffverbrauch eines solchen Testsystems abzusenken, wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzelle (46) oder der Brennstoffzellenstapel anodengasseitig mit einem Anodengasrezirkulationssystem (84) verbunden ist, über welches aus einem Anodengasauslass (52) der Brennstoffzelle (46) oder des Brennstoffzellenstapels ausströmendes Anodengas zu einem Anodengaseinlass (50) der Brennstoffzelle (46) oder des Brennstoffzellenstapels zurückführbar ist.

Description

Testsystem zur Prüfung von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapeln
Die Erfindung betrifft ein Testsystem zur Prüfung von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapeln mit einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel und einer Testeinheit, welche eine Anodengasversorgungseinheit, eine Kathodengasversorgungseinheit, eine Konditioniereinheit, und eine Steuereinheit und eine Auswerteeinheit aufweist, über die Messwerte an der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels aufnehmbar sind.
Derartige Testsysteme dienen beispielsweise zur Leistungscharakterisierung, Modellvalidierung, zur Prüfung der Dauerhaltbarkeit, Bestimmung der Degradation oder zur Designverifizierung. Auch können sie zur Optimierung der Regelung der Brennstoffzellen eingesetzt werden. Geprüft werden kann in unterschiedlichen Zyklen das Kaltstartverhalten, Start-Stopp-Verhalten, das dynamische Verhalten, das Energie- und Thermomanagement sowie die Alterung der Brennstoffzellen. Um solche diversifizierten Aussagen treffen zu können, ist eine definierte Versorgung der einzelnen Brennstoffzellen oder der zu testenden Brennstoffzellenstapel mit den entsprechenden Medien zu gewährleisten, welche betriebspunktabhängig in einem engen Druck-, Temperatur- Feuchte- und Massenstrombereich geregelt werden müssen.
Bekannte Testsysteme bestehen aus Testeinheiten, welche die komplette Peripherie der Brennstoffzelle beinhalten beziehungsweise simulieren, so dass lediglich die Brennstoffzelle beziehungsweise der Brennstoffzellenstapel angeschlossen werden muss. Die Anodengasversorgungseinheit dieser Testeinheiten weist unter anderem eine fest integrierte Anodengasfördereinheit auf, über die das Anodengas zur Brennstoffzelle gefördert wird. Nicht verbrauchtes Anodengas wird über das Abgas der Anodenseite der Brennstoffzelle abgeschieden.
Problematisch bei dieser Ausführung ist die Menge unverbrauchten Wasserstoffs, der mit dem Abgas abgeführt wird, was zu hohen Kosten beim Durchführen der Prüfläufe führt. Zusätzlich können die Brennstoffzellen nicht mit ihrer eigenen Peripherie getestet werden, wodurch beispielsweise eine Degradation, durch die die Brennstoffzelle versorgenden Geräte nicht ermittelt werden kann und so eine Optimierung der Peripherie nicht möglich ist. Auch sind die Kosten zur Herstellung der Testeinheit sehr hoch.
Es stellt sich daher die Aufgabe ein Testsystem zur Verfügung zu stellen, welches kostengünstiger hergestellt und betrieben werden kann und mit dem es möglich wird, möglichst reale Bedingungen in der Umgebung der Brennstoffzelle nachzustellen, so dass auch Geräte im Bereich der Gaszuführung optimiert werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Testsystem zur Prüfung von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapeln mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
Das erfindungsgemäße Testsystem zur Prüfung von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapeln weist eine üblicherweise stationäre Testeinheit auf, welche mit einer zu prüfenden Brennstoffzelle oder einem zu prüfenden Brennstoffzellenstapel, wie einem PEM-Brennstoffzellenstack, verbunden wird.
Die Testeinheit weist eine Anodengasversorgungseinheit und eine Kathodengasversorgungseinheit auf. Diese dienen zur Konditionierung, Regelung und gegebenenfalls Förderung des Wasserstoffs und der Luft beziehungsweise des Sauerstoffs. Des Weiteren weist die Testeinheit eine Konditioniereinheit auf, über die der Brennstoffzellenstapel auf definierte Temperaturen gekühlt und gegebenenfalls auch erwärmt werden kann. Eine Steuereinheit dient zur Steuerung und Regelung der Testeinheit und eine Auswerteeinheit zur Aufnahme und Auswertung von Messwerten, die an der Brennstoffzelle oder am Brennstoffzellenstapel genommen werden. Selbstverständlich können hier auch Messwerte an einer nachgeschalteten Energiespeichereinheit oder von zusätzlichen Druck-, Temperatur-, oder Feuchtesensoren der Testeinheit mit ausgewertet werden.
Die Brennstoffzelle oder der Brennstoffzellenstapel ist erfindungsgemäß anodengasseitig mit einem Anodengasrezirkulationssystem, insbesondere einem Anodengasrezirkulationsgebläse, verbunden, über welches aus einem Anodengasauslass der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels ausströmendes Anodengas zu einem Anodengaseinlass der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels zurückführbar ist. Hierzu können an der Testeinheit Anschlüsse zur Verbindung des Anodengasrezirkulationssystems mit der Brennstoffzelle vorgesehen sein. Das Anodengasrezirkulationssystem kann dabei entweder ein Teil der Testeinheit sein und fest installiert sein oder jeweils an die Testeinheit montiert werden. Dies hat den Vorteil, dass auch die ohnehin im Fahrzeug verwendeten Rezirkulationssysteme auch am Teststand verwendet werden und somit die Brennstoffzelle bezüglich der Rezirkulation unter realen Bedingungen getestet werden kann. Auch kann auf diese Weise die Brennstoffzelle gegebenenfalls mit verschiedenen Rezirkulationssystemen getestet werden, so dass auch gemessen werden kann, welches Rezirkulationssystem gegebenenfalls die Performance der Brennstoffzelle verbessert oder verschlechtert. Der besondere Vorteil der Verwendung des Rezirkulationssystems im Testsystem ist jedoch, dass dadurch nicht umgewandelter Wasserstoff nicht einfach mit dem Anodenabgas abgeführt wird, sondern durch die Rückführung über das Anodengasrezirkulationssystem wieder von der Brennstoffzelle verwendet werden kann, wodurch der Wasserstoffverbrauch beim Testen deutlich reduziert wird. Zusätzlich wird auch der Wasserverbrauch reduziert, da PEM-Brennstoffzellen eine gewisse Feuchte benötigen, so dass Wasser zugesetzt werden muss, wenn der Wasserdampf nicht durch die Rezirkulation zurück in die Brennstoffzelle geführt wird. Entsprechend werden die Kosten für die Durchführung des Tests reduziert.
Vorzugsweise weist die Anodengasversorgungseinheit zumindest eine Anodengasquelle, eine Anodengasversorgungsleitung, einen Massenstromregler und ein Druckregelventil auf. So kann dem Testsystem Wasserstoff in einem definierten und regelbaren Massenstrom und einem definierten Druck zugeführt werden. Zusätzlich kann auch eine Temperaturkonditionierung vorgesehen werden.
Des Weiteren weist die Testeinheit eine Energiespeichereinheit auf, mit der die Brennstoffzelle oder die Brennstoffzelleneinheit elektrisch verbindbar ist und über die bevorzugt eine Messung der gewonnenen Energie ermöglicht wird. Über diese Energiespeichereinheit kann auch die Energie zum Starten der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt werden. Wobei unter Energiespeichereinheit auch eine Einheit verstanden werden kann, die die gewonnene Energie in ein Stromnetz einspeist.
Die Testeinheit weist vorzugsweise eine Aufnahmeeinheit für die Brennstoffzelle oder den Brennstoffzellenstapel auf, an dem die Brennstoffzelle platziert wird und an dem die entsprechenden Anschlüsse vorgesehen sind, um die Brennstoffzelle in das Testsystem zu integrieren. Diese Aufnahmeeinheit befindet sich in einer Klimakammer der Konditioniereinheit der Testeinheit, über die die Brennstoffzelle definierten Temperaturen, Drücken und Luftfeuchtigkeiten ausgesetzt werden kann, wodurch genaue Messungen auch bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen durchgeführt werden können.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn an der Testeinheit eine erste Aufnahme zum Anschluss einer Kathodengasfördereinheit, eine zweite Aufnahme zum Anschluss einer Anodengasfördereinheit und eine dritte Aufnahme zum Anschluss des Anodengasrezirkulationssystems ausgebildet sind. Dies bedeutet, dass an der Testeinheit selbst die Fördereinheiten nicht vorgesehen werden müssen. Stattdessen können entweder die später auch im Fahrzeug verwendeten Fördermittel verwendet werden oder alternativ am Teststand vorhandene Einheiten angebaut werden. Hierdurch kann die Brennstoffzelle ohne zusätzliche Simulation mit Ihrer Peripherie getestet werden oder Tests mit unterschiedlicher Peripherie durchgeführt werden, wodurch die Aussagekraft durchgeführter Leistungs- und Degradationstests noch einmal erhöht wird. Durch die Verwendung der entsprechenden Aufnahmen und Anschlüsse für die Fördereinheiten wird die Rüstzeit dennoch sehr gering gehalten.
Die Anodengasfördereinheit wird vorzugsweise über eine elektrische Schnittstelle der Testeinheit mit der Steuereinheit und über die Anodengasversorgungsleitung, die an einer Anodengasschnittstelle der Testeinheit mündet, mit der Anodengasversorgungseinheit fluidisch verbunden. So kann ein einfacher Austausch der jeweils verwendeten Anodengasfördereinheit erfolgen. Die Anodengasfördereinheit muss entsprechend nicht als Teil der Testeinheit ausgebildet werden.
Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn die Anodengasversorgungseinheit eine Wasserzuführleitung aufweist, über welche Wasser aus einer Wasserversorgungseinheit der Anodengasversorgungsleitung zuführbar ist. Entsprechend kann der notwendige Wassergehalt der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels sichergestellt werden und ein Austrocknen der Brennstoffzelle verhindert werden, was zu einer vorzeitigen Degradation führen würde.
In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform mündet die Wasserzuführleitung stromaufwärts der Anodengasschnittstelle zur Verbindung mit der Anodengasfördereinheit in die Anodengasversorgungsleitung, so dass die Förderung des Wassers oder Wasserdampfes über die Anodengasfördereinheit erfolgen kann und keine separate Fördereinheit notwendig ist. Gleichzeitig kann auch im Bereich der Anodengasförderleitung auf diese Weise der Feuchtegehalt des zugeführten Anodengasstroms ermittelt werden.
Des Weiteren weist die Testeinheit vorzugsweise eine Spülgasquelle auf, welche mit der Anodengasschnittstelle verbindbar ist, wobei über ein Schaltventil wahlweise eine Verbindung mit der Spülgasquelle oder mit der Anodengasversorgungseinheit herstellbar ist. Entsprechend kann die Anodengasfördereinheit zwischen den verschiedenen Testläufen gespült werden, um Verfälschungen der Messergebnisse zu vermeiden und stehenden Wasserstoff im System bei längeren Pausen zwischen den Tests zu verhindern.
Die Steuereinheit und/oder die Auswerteeinheit der Testeinheit ist elektrisch mit der Energiespeichereinheit und der Konditioniereinheit verbunden und mit der Anodengasfördereinheit, der Kathodengasfördereinheit und dem Anodengasrezirkulationssystem verbindbar. Somit kann das komplette Testsystem nach dem Anschluss der Fördereinheiten und des Anodengasrezirkulationssystems über die Steuereinheit angesteuert werden. Separate Steuereinheiten sind nicht notwendig. Entsprechend liegen auch alle Steuerdaten im System vor und können zur Auswertung herangezogen werden.
In einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung weist die Testeinheit eine Schnittstelleneinheit auf, die einen ersten Anodengaskanal aufweist, über den eine fluidische Verbindung zwischen einem Anodengasauslass der Anodengasfördereinheit und einem Anodengaseinlass der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels herstellbar ist, einen Kathodengaskanal auf, über den eine fluidische Verbindung zwischen einem Kathodengasauslass der Kathodengasfördereinheit und einem Kathodengaseinlass der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels herstellbar ist, einen zweiten Anodengaskanal auf, über den eine fluidische Verbindung zwischen dem Anodengasauslass der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels und einem Anodengaseinlass des Anodengasrezirkulationssystems herstellbar ist und einen dritten Anodengaskanal auf, über den eine fluidische Verbindung zwischen einem Anodengasauslass des Anodengasrezirkulationssystems und dem Anodengaseinlass der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels herstellbar ist. Durch eine solche Schnittstelleneinheit können entsprechend auf einfache Weise alle drei Fördereinheiten an die Testeinheit angeschlossen werden. Der Platzbedarf ist sehr gering und es werden Fehler beim Anschluss vermieden.
Vorzugsweise weist die Testeinheit auch eine Simulationseinheit auf, über die Betriebszustände, Lastzustände und Fahrzyklen eines Fahrzeugs an der Brennstoffzelle oder der Brennstoffzelleneinheit simuliert werden können, so dass die Brennstoffzelle in verschiedenen Lastzuständen bei realitätsnahen Bedingungen getestet werden kann.
Die Testeinheit weist des Weiteren Temperatursensoren, Drucksensoren, Feuchtigkeitssensoren und Massenstrommesser auf, deren Daten zur Auswertung der Auswerteeinheit und zur Einstellung der Steuereinheit zur Verfügung stehen und eine exakte Regelung und Auswertung ermöglichen.
Des Weiteren weisen die Anodengasversorgungseinheit und die Kathodengasversorgungseinheit eine Konditioniereinrichtung auf oder sind gemeinsam in einer konditionierbaren Kammer angeordnet, welches auch die Konditionierkammer der Brennstoffzelle sein kann. Dies ermöglicht die Konditionierung des zugeführten Gases auf verschiedene Betriebsbedingungen. Es wird somit ein Testsystem bereitgestellt, mit dem hochgenaue Belastungs- und Degradationstests für unterschiedliche Umgebungsbedingungen durchgeführt werden können. Das Testsystem ist über die feste Testeinheit auch bezüglich der Fördereinheiten auf einfache Weise anpassbar, indem hierfür verschiedene Aufnahmen vorgesehen werden, die einen einfachen Austausch dieser Einheiten ermöglicht. Dadurch kann das Testsystem kostengünstiger hergestellt werden. Vor allem werden die Kosten beim Durchführen der Testläufe durch die Verwendung des Rezirkulationssystems verringert, da der Wasserstoffverbrauch beträchtlich gesenkt werden kann, wobei gleichzeitig die Testbedingungen an den realen Aufbau im Fahrzeug angepasst werden.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Testsystems ist in der Figur 1 dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Zur Vereinfachung wird im Folgenden jeweils lediglich eine Brennstoffzelle erwähnt, wobei diese beliebig durch einen Brennstoffzellenstapel ersetzt werden kann.
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Testsystems.
Das erfindungsgemäße Testsystem besteht aus einer üblicherweise stationär aufgestellten Testeinheit 10, welche eine Anodengasversorgungseinheit 12 und eine Kathodengasversorgungseinheit 14 sowie zumindest eine Konditioniereinheit 16 aufweist.
Die Anodengasversorgungseinheit 12 besteht aus einer Anodengasquelle 18, welche als Wasserstoffgasflasche ausgebildet sein kann sowie einer Anodengasversorgungsleitung 20, in der ein Massenstromregler 22 ein Druckregulierventil 24 sowie ein Temperatursensor 26 angeordnet sind. In die Anodengasversorgungsleitung 20 mündet eine Wasserzuführleitung 28, über die Wasser aus einer Wasserversorgungseinheit 30 dem Anodengasstrom zugeführt werden kann. Das Anodengas aus der Anodengasversorgungseinheit 12 wird über eine Konditioniereinrichtung 31 bezüglich der Temperatur und des Druckes geregelt.
Die Kathodengasversorgungseinheit 14 besteht aus einer Kathodengasquelle 32, welche entweder als Sauerstoffflasche oder einfach aus der umgebenden Luft bestehen kann, sowie einer Kathodengasversorgungsleitung 34, in der wiederum ein Druckregulierventil 36, eine Massenstromregler 38 und eine Temperatursensor 40 angeordnet sind. Auch das Kathodengas der Kathodengasversorgungseinheit 14 wird über eine Konditioniereinrichtung 41 konditioniert.
Die Konditioniereinheit 16 dient der Regelung des Drucks der Feuchte sowie der Temperatur in einer Klimakammer 42, in der eine Aufnahmeeinheit 44 zur Befestigung und Anordnung einer zu testenden Brennstoffzelle 46 ausgebildet ist, welche einen Kathodengaseinlass 48 und einen Anodengaseinlass 50 zur Versorgung der Brennstoffzelle 46 mit dem Anodengas und dem Kathodengas, welche nach außen aus der Klimakammer 42 geführt werden, sowie eine Anodengasauslass 52 und einen Kathodengasauslass 54, durch den das dort strömende Gas als Abgas abgeführt wird.
Der Kathodengaseinlass 48 und der Anodengaseinlass 50 der
Brennstoffzelle 46 sind mit einer Schnittstelleneinheit 56 verbunden, in der ein Kathodengaskanal 58 ausgebildet ist, der mit einem
Kathodengasauslass 60 einer Kathodengasfördereinheit 62 verbunden werden kann. Diese kann entweder ein fester Teil der Testeinheit 10 sein oder durch die Kathodengasfördereinheit 62 gebildet werden, welche auch mit der zu testenden Brennstoffzelle 46 später verbaut werden soll. Entsprechend weist die Testeinheit 10 eine erste Aufnahme 64 auf, an der die Kathodengasfördereinheit 62 an der Testeinheit 10 befestigt und angeschlossen werden kann. Die Kathodengasfördereinheit 62 wird mit der Kathodengasversorgungsleitung 34 über eine Kathodengasschnittstelle 68 verbunden, so dass diese die über die Kathodengasversorgungseinheit 14 zugeführte Luft zur Brennstoffzelle 46 fördern kann.
Des Weiteren weist die Schnittstelleneinheit 56 einen ersten Anodengaskanal 70 auf, der sich von einem Anodengasauslass 72 einer Anodengasfördereinheit 74 zum Anodengaseinlass 50 der Brennstoffzelle 46 erstreckt. Die Anodengasfördereinheit 74 ist an einer weiteren Aufnahme 76 der Testeinheit 10 befestigt und kann ebenfalls entweder Teil der Testeinheit 10 selbst sein oder durch die Anodengasfördereinheit 74 gebildet werden, die später beispielsweise im Fahrzeug zur Versorgung der Brennstoffzelle 46 mit Anodengas dient. Über eine Anodengasschnittstelle 78 der Testeinheit 10 wird die Anodengasfördereinheit 74 mit der Anodengasversorgungsleitung 20 verbunden, so dass ein gegebenenfalls über die Wasserversorgungseinheit 30 mit Wasser angereicherter Wasserstoffstrom zur Anodengasfördereinheit 74 und zur Brennstoffzelle 46 gefördert wird.
Die Schnittstelleneinheit 56 weist auch einen zweiten Anodengaskanal 80 auf, der einerseits mit dem Anodengasauslass 52 der Brennstoffzelle 46 und andererseits mit einem Anodengaseinlass 82 eines Anodengasrezirkulationsgebläses 84 verbunden ist. Wobei anstatt des Anodengasrezirkulationsgebläses 84 auch jedes beliebige andere Anodengasrezirkulationssystem verwendet werden kann. Über dieses Anodengasrezirkulationsgebläse 84 wird nicht verbrauchter Wasserstoff aus der Brennstoffzelle 46 zu dieser über einen dritten Anodengaskanal 86 zurückgeführt, der in der Schnittstelleneinheit 56 ausgebildet ist. Dieser erstreckt sich somit von einem Anodengasauslass 88 des Anodengasrezirkulationsgebläses 84 zum Anodengaseinlass 50 der Brennstoffzelle 46. Hierzu kann entweder an der Testeinheit 10 ein zweiter Anodengaseinlass zur Brennstoffzelle 46 vorgesehen werden oder der erste Anodengaskanal 70 und der dritte Anodengaskanal 86 werden in der Schnittstelleneinheit 56 zusammengeführt und münden somit gemeinsam am Anodengaseinlass 50 der Brennstoffzelle 46. An der Testeinheit 10 ist eine dritte Aufnahme 90 ausgebildet, an der das Anodengasrezirkulationsgebläse 84 befestigt und angeschlossen werden kann. Somit kann auch das Anodengasrezirkulationsgebläse 84 entweder Teil der Testeinheit sein oder nachträglich dort befestigt werden, insbesondere wenn das später beispielsweise im Fahrzeug verwendete Anodengasrezirkulationsgebläse 84 auch im Testsystem zur Prüfung der Brennstoffzelle 46 genutzt werden soll.
Die Testeinheit 10 weist des Weiteren eine Energiespeichereinheit 92 auf, in die der von der Brennstoffzelle 46 erzeugte Strom gespeichert werden kann. Diese kann gleichzeitig auch zur teilweisen Stromversorgung der Testeinheit 10 genutzt werden. An dieser Energiespeichereinheit 92 kann die Menge des erzeugten Stromes ermittelt werden, um so eine Aussage zur Leistung der Brennstoffzelle 46 treffen zu können.
Zusätzlich weist die Testeinheit 10 eine Steuereinheit 94 und eine Auswerteeinheit 96 auf, die insbesondere gemeinsam in einer Einheit integriert werden können, welche zusätzlich eine Simulationseinheit 98 aufweisen kann, über die verschiedene Last- und Umgebungszustände wirklichkeitsnah durch entsprechende Ansteuerungen simuliert werden. Die Steuereinheit 94 ist insbesondere mit dem Anodengasrezirkulationsgebläse 84, der Anodengasfördereinheit 74 und der Kathodengasfördereinheit 62 über elektrische Schnittstellen 100 verbunden, um diese regeln zu können. Des Weiteren werden die Konditioniereinrichtungen 31, 41, und die Konditioniereinheit 16 über die Steuereinheit 94 geregelt. Die Auswerteeinheit 96 ist mit der Energiespeichereinheit 92 sowie verschiedenen in bekannter Weise im System vorhandenen Drucksensoren 102, Massenstrommessern 104, Feuchtigkeitssensoren 106 und Temperatursensoren 26, 40, 108 verbunden, um möglichst exakte Auswertungen zur Brennstoffzelle 46 bei den Leistungstests und zur Degradation vornehmen zu können.
Zwischen den Prüfläufen kann die Anodengasfördereinheit 74 und das Anodengasrezirkulationsgebläse 84 mit einer Spülgasquelle 110 verbunden werden, um die die Anodengasfördereinheit 74 und das Anodengasrezirkulationsgebläse 84 mit einem Inertgas zu spülen und so den Wasserstoff aus dem System zu entfernen. Hierzu dienen Verbindungsleitungen 112, 114 von denen die erste Verbindungsleitung 112 in der Anodengasschnittstelle 78 mündet, wobei an der Verzweigung ein Schaltventil 116 angeordnet wird. Die zweite Verbindungsleitung 114 mündet vor oder an dem Anodengaseinlass 82 des Anodengasrezirkulationsgebläses 84 in die Leitung, wobei auch hier an der Verzweigung ein Schaltventil 118 angeordnet ist.
Dieses Testsystem verbraucht durch die Verwendung des Anodengasrezirkulationsgebläses und die damit verbundene anodengasseitige Rückführung unverbrauchten Wasserstoffs deutlich weniger Wasserstoff als andere Testsysteme. Der Aufbau der fest installierten Testeinheit ermöglicht einen einfachen Anschluss von Fördereinheiten, mit denen die Brennstoffzelle auch im späteren Betrieb betrieben wird, wodurch einerseits Kosten der Testeinheit gesenkt werden und andererseits Ergebnisse erzielt werden, die den späteren realen Bedingungen entsprechen.
Es sollte deutlich sein, dass der im Ausführungsbeispiel beschriebene Aufbau auch anders ausgeführt werden kann. Die Steuer- und Regeleinheiten sowie vorhandenen Messinstrumente können auch anders angeordnet beziehungsweise ergänzt werden. Auch können die Aufnahmen und Schnittstellen beliebig ausgebildet werden oder mehrere einzelne Schnittstellen verwendet werden.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Testsystem zur Prüfung von Brennstoffzellen (46) oder Brennstoffzellenstapeln mit einer Brennstoffzelle (46) oder einem Brennstoffzellenstapel und einer Testeinheit (10), welche eine Anodengasversorgungseinheit (12), eine Kathodengasversorgungseinheit (14), eine Konditioniereinheit (16), und eine Steuereinheit (94) und eine Auswerteeinheit (96) aufweist, über die Messwerte an der Brennstoffzelle (46) oder des Brennstoffzellenstapels aufnehmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (46) oder der Brennstoffzellenstapel anodengasseitig mit einem Anodengasrezirkulationssystem (84) verbunden ist, über welches aus einem Anodengasauslass (52) der Brennstoffzelle (46) oder des Brennstoffzellenstapels ausströmendes Anodengas zu einem Anodengaseinlass (50) der Brennstoffzelle (46) oder des Brennstoffzellenstapels zurückführbar ist.
2. Testsystem zur Prüfung von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapeln nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodengasversorgungseinheit (12) eine Anodengasquelle (18), eine Anodengasversorgungsleitung (20), einen Massenstromregler (22) und ein Druckregelventil (24) aufweist.
3. Testsystem zur Prüfung von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapeln nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Testeinheit (10) eine Energiespeichereinheit (92) aufweist, mit der die Brennstoffzelle (46) oder die Brennstoffzelleneinheit elektrisch verbindbar ist.
4. Testsystem zur Prüfung von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapeln nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Klimakammer (42) der Konditioniereinheit (16) der Testeinheit (10) eine Aufnahmeeinheit (44) für die Brennstoffzelle (46) oder den Brennstoffzellenstapel ausgebildet ist.
5. Testsystem zur Prüfung von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapeln nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Testeinheit (10) eine erste Aufnahme (64) zum Anschluss einer Kathodengasfördereinheit (62), eine zweite Aufnahme (76) zum Anschluss einer Anodengasfördereinheit (74) und eine dritte Aufnahme (90) zum Anschluss des Anodengasrezirkulationssystems (84) aufweist.
6. Testsystem zur Prüfung von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapeln nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodengasfördereinheit (74) über eine elektrische Schnittstelle (100) der Testeinheit (10) mit der Steuereinheit (94) und über die Anodengasversorgungsleitung (20), die an einer Anodengasschnittstelle (78) der Testeinheit (10) mündet, mit der Anodengasversorgungseinheit (12) fluidisch verbindbar ist.
7. Testsystem zur Prüfung von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapeln nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodengasversorgungseinheit (12) eine Wasserzuführleitung (28) aufweist, über welche Wasser aus einer Wasserversorgungseinheit (30) der Anodengasversorgungsleitung (20) zuführbar ist.
8. Testsystem zur Prüfung von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapeln nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserzuführleitung (28) stromaufwärts der Anodengasschnittstelle (78) zur Verbindung mit der Anodengasfördereinheit (74) in die Anodengasversorgungsleitung (20) mündet.
9. Testsystem zur Prüfung von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapeln nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Testeinheit (10) eine Spülgasquelle (110) aufweist, welche mit der Anodengasschnittstelle (78) verbindbar ist, wobei über ein Schaltventil (116) wahlweise eine Verbindung mit der Spülgasquelle (110) oder mit der Anodengasversorgungseinheit (12) herstellbar ist.
10. Testsystem zur Prüfung von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapeln nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (94) und/oder die Auswerteeinheit (96) der Testeinheit (10) elektrisch mit der Energiespeichereinheit (92) und der Konditioniereinheit (16) verbunden ist und mit der Anodengasfördereinheit (74), der Kathodengasfördereinheit (62) und dem Anodengasrezirkulationssystem (84) verbindbar ist.
11. Testsystem zur Prüfung von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapeln nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Testeinheit (10) eine Schnittstelleneinheit (56) aufweist, die einen ersten Anodengaskanal (70) aufweist, über den eine fluidische Verbindung zwischen einem Anodengasauslass (72) der Anodengasfördereinheit (74) und einem Anodengaseinlass (52) der Brennstoffzelle (46) oder des Brennstoffzellenstapels herstellbar ist, einen Kathodengaskanal (58) aufweist, über den eine fluidische Verbindung zwischen einem Kathodengasauslass (60) der Kathodengasfördereinheit (62) und einem Kathodengaseinlass (48) der Brennstoffzelle (46) oder des Brennstoffzellenstapels herstellbar ist, einen zweiten Anodengaskanal (80) aufweist, über den eine fluidische Verbindung zwischen dem Anodengasauslass (52) der Brennstoffzelle (46) oder des Brennstoffzellenstapels und einem Anodengaseinlass (82) des Anodengasrezirkulationssystems (84) herstellbar ist und einen dritten Anodengaskanal (86) aufweist, über den eine fluidische Verbindung zwischen einem Anodengasauslass (88) des Anodengasrezirkulationssystems (84) und dem Anodengaseinlass (50) der Brennstoffzelle (46) oder des Brennstoffzellenstapels herstellbar ist.
12. Testsystem zur Prüfung von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapeln nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Testeinheit (10) eine Simulationseinheit (98) aufweist, über die Betriebszustände, Lastzustände und Fahrzyklen eines Fahrzeugs an der Brennstoffzelle (46) oder der Brennstoffzelleneinheit simulierbar sind.
13. Testsystem zur Prüfung von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenstapeln nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Testeinheit (10) Temperatursensoren (26, 40, 108), Drucksensoren (102), Feuchtigkeitssensoren (106) und Massenstrommesser (104) aufweist.
14. Testsystem zur Prüfung von Brennstoffzellen oder
Brennstoffzellenstapeln nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodengasversorgungseinheit (12) und die Kathodengasversorgungseinheit (14) eine Konditioniereinrichtung (31, 41) aufweisen.
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