AT525432A4

AT525432A4 - Prüfstation zum zumindest teilweise zeitlich parallelen Prüfen von wenigstens zwei Brennstoffzellen

Info

Publication number: AT525432A4
Application number: ATA50091/2022A
Authority: AT
Inventors: Venkataraman Vikrant Phd; Krause Dipl -Ing Bernd
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2022-02-11
Filing date: 2022-02-11
Publication date: 2023-04-15
Also published as: AT525432B1; WO2023150816A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prüfstation (10) zum zumindest teilweise zeitlich parallelen Prüfen von wenigstens zwei Brennstoffzellen (100), gekennzeichnet durch ein Gehäuse (20) in welchem wenigstens zwei Zellenaufnahmen (30) zur Aufnahme jeweils einer Brennstoffzelle (100) angeordnet sind, wobei jede Zellenaufnahme (30) eine Haltevorrichtung (32) aufweist für ein Halten der aufgenommenen Brennstoffzelle (100) in einer Prüfposition (PP), wobei sich in der Prüfposition (PP) oberhalb und unterhalb der Brennstoffzelle (100) jeweils eine anodenseitige Gaskavität (33) und eine kathodenseitige Gaskavität (34) ausbildet für einen Betrieb der Brennstoffzelle (100) mit Zufuhrgasen (ZG) und Abfuhrgasen (AG), wobei weiter jede Zellenaufnahme (30) eine Anodengaszufuhr (35) und eine Anodengasabfuhr (36) in fluidkommunizierender Verbindung mit der anodenseitigen Gaskavität (33) sowie eine Kathodengaszufuhr (37) und eine Kathodengasabfuhr (38) in fluidkommunizierender Verbindung mit der kathodenseitigen Gaskavität (34) aufweist, wobei weiter im Gehäuse (20) wenigstens eine Heizvorrichtung (40) für ein aktives Beheizen der Zellenaufnahmen (30) angeordnet ist.

Description

Prüfstation zum zumindest teilweise zeitlich parallelen Prüfen von wenigstens

zwei Brennstoffzellen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prüfstation zum zumindest teilweise zeitlich parallelen Prüfen von wenigstens zwei Brennstoffzellen sowie ein Prüfverfahren für

die Durchführung einer solchen Prüfung.

Es ist bekannt, dass Brennstoffzellen hinsichtlich einer Vielzahl unterschiedlicher Parameter geprüft werden sollen. Beispielsweise findet dies im Rahmen der Forschungs- und Entwicklungsarbeit statt, wenn neue Brennstoffzellenmaterialien, neue Brennstoffzellengeometrien oder Ähnliches hinsichtlich ihrer Nutzbarkeit überprüft werden sollen. Auch beim Überprüfen einer Produktionscharge kann eine Stichprobe einer definierten Anzahl von Brennstoffzellen überprüft werden, um die Qualität dieser Charge sicherzustellen. Bekannte Prüfmöglichkeiten beinhalten Prüfstationen, welche in der Lage sind, eine einzelne Brennstoffzelle mit unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu prüfen. Die Betriebsbedingungen beinhalten dabei neben der Verwendung von Zufuhrgasen und Abfuhrgasen für die beiden Seiten einer Brennstoffzelle, insbesondere auch Temperaturverläufe für diese Brennstoffzellen. So kann es für ein Prüfprotokoll wichtig sein, die Brennstoffzelle in unterschiedlichen Betriebs-

temperaturen zu überprüfen.

Unter einer Brennstoffzelle ist dabei insbesondere jeder Typ und jede Form einer Brennstoffzelle zu verstehen, zum Beispiel AFC, DMFC oder zum Beispiel MCFC Typen. Auch sind Brennstoffzellen für unterschiedliche Betriebsweisen und unterschiedliche Brennstoffgase einsetzbar, beispielsweise für einen SOFC Betrieb oder einen PEM Betrieb. Dabei handelt es sich um den Teil der Brennstoffzelle, welcher die elektrochemische Wirksamkeit zur Verfügung stellt und durch die Permeakbilität für lonen die elektrochemische Kopplung zwischen einer Anodenseite und einer Kathodenseite für das Erzeugen von Strom aus einem Brennstoff auf der einen Seite und sauerstoffhaltiger Luft auf der anderen Seite gewährleistet. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ist eine Brennstoffzelle, also zumindest diese Brennstoffzellenmembran und/oder eine solche Membran mit entsprechender Einfassung. Solche Brennstoffzellen werden für den späteren Betrieb in einem Brennstoffzellensystem üblicherweise gestapelt einen Brennstoffzellenstapel oder in Kombination mit ande-

ren Brennstoffzellenstapeln ein Brennstoffzellensystem ausbilden.

sehr groß und damit nur sehr aufwendig in einem Massenbetrieb durchführbar.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine Möglichkeit zur Verfügung zu

stellen, eine Vielzahl von Brennstoffzellen zeitlich parallel zu prüfen.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch eine Prüfstation mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Prüfverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Prüfstation beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Prüfverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungs-

aspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

Erfindungsgemäß dient eine Prüfstation dem zumindest teilweise zeitlich parallelen Prüfen von wenigstens zwei Brennstoffzellen. Hierfür zeichnet sich die Prüfstation durch ein Gehäuse aus, in welchem wenigstens zwei Zellenaufnahmen zur Aufnahme jeweils einer Brennstoffzelle angeordnet sind. Jede Zellenaufnahme ist mit einer

Haltevorrichtung ausgestattet, für ein Halten der aufgenommenen Brennstoffzelle in

befasst, sind beide Ausführen im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich.

Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht auf zwei wesentlichen Teilmerkmalen. Zum einen sind in dem Gehäuse eine Mehrzahl von wenigstens zwei Zellenaufnahmen angeordnet. So ist es möglich, dass bei zumindest zwei Zellenaufnahmen entsprechend auch zumindest zwei Brennstoffzellen gleichzeitig in diese Zellenaufnahmen und damit in die Prüfstation zur Prüfung eingebracht werden können. Das weitere entscheidende Merkmal ist die Integration der Heizvorrichtung in diese Prüfstation. Während bei bekannten Lösungen die Prüfstationen ausschließlich für eine einzige Brennstoffzelle ausgelegt waren, welche anschließend, nach dem Anschluss der Brennstoffzelle an die Fluidik, in einen externen Ofen eingebracht werden mussten, ist die Integration der Heizvorrichtung in das Gehäuse nun in der Lage, das direkte Beheizen der Brennstoffzellen innerhalb aller Zellenaufnahmen zu gewährleisten. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass die erfindungsgemäßen Vorteile einer zeitlich parallelen Prüfung von einer Vielzahl von Brennstoffzellen bereits dann erreicht werden, wenn die Heizvorrichtung als in das Gehäuse integrierte Heizvorrichtung das gesamte Gehäuse und damit alle Zellenaufnahmen sowie die darin angeordneten Brennstoffzellen gemeinsam beheizt. Es kann jedoch bevorzugt sein, wie dies später noch erläutert wird, wenn einzelne Zellenaufnahmen oder sogar alle Zellenaufnahmen separat kontrollierbare Heizmittel aufweisen, sodass eine spezifische Kontrollmöglichkeit für die Temperierung der einzelnen Brennstoffzellen in den einzelnen Zellenauf-

nahmen gewährleistet werden kann.

gesetzt werden. Darunter fallen zum Beispiel AFC, DMFC oder MCFC Typen.

Bei einer erfindungsgemäßen Prüfstation ist es nun also möglich, die Brennstoffzellen, beispielsweise über schlitzartige oder anderweitig an die Geometrie der jeweiligen Brennstoffzelle angepasste Öffnungen, in die jeweilige Zellenaufnahme einzubringen. Durch die darin vorhandene Haltevorrichtung werden die Brennstoffzellen in einer definierten Prüfposition positioniert und gehalten. In dieser Prüfposition erfolgt vorzugsweise darüber hinaus eine Abdichtung der kathodenseitigen Gaskavität und der anodenseitigen Gaskavität, sodass ein sicherer Betrieb der jeweiligen Brennstoffzelle für die Prüfung gewährleistet werden kann. Sobald wenigstens eine Brennstoffzelle nun innerhalb einer Zellenaufnahme angeordnet worden ist, kann das Prüfen stattfinden. Während dieses Prüfvorgangs ist ein weiteres Bestücken einer weiteren Zellenaufnahme denkbar. Je nach Art und Weise der Prüfung ist es möglich, alle Zellenaufnahmen zeitliche mit Brennstoffzellen zu bestücken und anschließend einen Prüfdurchlauf für alle aufgenommenen Brennstoffzellen im Wesentlichen vollständig zeitlich parallel durchzuführen. Ein sequenzielles oder zumindest teilweises sequenzielles Arbeiten ist jedoch ebenfalls denkbar, wenn beispielsweise nach der Beendigung eines Prüfdurchlaufs an einer Zellenaufnahme die Brennstoffzelle entnommen und durch eine andere Brennstoffzelle ersetzt wird, während an anderen Zellenauf-

nahmen die Prüfung noch im Gange ist.

Wie anhand der voranstehenden kurzen Erläuterung des Ablaufs erkennbar ist, wird nun im Vergleich zu den bisherigen Lösungen eine zeitlich deutlich komprimierte Prüfung möglich. Insbesondere dann, wenn bei einem Forschungsprojekt unterschiedliche Brennstoffzellengeometrien einer gemeinsamen Prüfroutine unterzogen werden sollen, kann dies nun zeitlich parallel durchgeführt werden, da unterschiedliche

Brennstoffzellengeometrien, aber auch unterschiedliche Brennstoffzellenmaterialien,

erfindungsgemäße Prüfstation.

Die Prüfstation ist dabei in der Lage, auf unterschiedlichste Parameter zu prüfen. Neben den bereits erläuterten Temperaturkurven, ist es auch möglich, dass unterschiedliche Gaszusammensetzungen oder unterschiedliche Betriebsweisen, beispielsweise unterschiedliche Drucksituationen, geprüft werden können. Somit ist es möglich, unterschiedliche Prüfprotokolle mit unterschiedlichen Prüfkurven in einer gemeinsamen Prüfstation durchzuführen. Es ist somit keine externe Heizquelle in Form eines externen Ofens mehr notwendig. Das schnellere Aufheizen und das schnellere Abkühlen direkt in der Zellenaufnahme durch die geringeren Volumina bringt einen ersten Zeitvorteil mit sich. Gleichzeitig wird aus demselben Grund auch ein geringerer Energieaufwand für den gesamten Heizbetrieb für die Durchführung der Prüfung notwendig. Nicht zuletzt ist das parallele Prüfen in der Lage, einen entscheidenden Zeitvorteil zu erzielen, wenn eine Vielzahl von Brennstoffzellen in kurzer

Zeit überprüft werden soll.

Es ist noch darauf hinzuweisen, dass je nach Geometrie der Brennstoffzelle die Anordnung der Gaskavitäten angepasst sein kann. Während bei flächigen oder knopf-

förmigen Brennstoffzellen sich die beiden Gaskavitäten oberhalb und unterhalb der

sein.

Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Prüfstation im Gehäuse, insbesondere an jeder Zellenaufnahme, Anschlussmittel für einen elektrischen Anschluss der Brennstoffzelle in der Prüfposition angeordnet sind. Solche elektrischen Anschlussmittel können zum Beispiel Steckkontakte oder Gleitkontakte sein. Bevorzugt sind Kontakte, welche den elektrischen Anschluss automatisch zur Verfügung stellen, wenn die Brennstoffzelle in die Prüfposition eingebracht wird. Hierfür können die elektrischen Anschlussmittel Gleitflächen aufweisen, welche insbesondere federbelastet sind, um eine sichere elektrische Kontaktierung zu gewährleisten. Die Anschlussmittel können dabei einen Teil der Haltevorrichtung ausbilden

und beispielsweise physisch kontaktierende Halteabschnitte ausbilden.

Darüber hinaus kann es Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäRen Prüfstation die Heizvorrichtung wenigstens ein Heizmittel in zumindest einer Zellenaufnahme aufweist, für ein spezifisches und direktes Beheizen einer in dieser Zellenaufnahme in Prüfposition aufgenommenen Brennstoffzelle, wobei die Heizvorrichtung insbesondere Heizmittel in jeder Zellenaufnahme aufweist, für ein spezifisches und direktes und spezifisches Beheizen von in den Zellenaufnahmen in Prüfposition aufgenommenen Brennstoffzellen. Wie bereits eingangs erläutert worden ist, werden die erfindungsgemäßen Vorteile grundsätzlich bereits dann erzielbar, wenn eine gemeinsame Heizvorrichtung für alle oder für mehrere Zellenaufnahmen vorgesehen ist. Für eine noch spezifischere Durchführung von Prüfprotokollen ist jedoch diese Ausführungsform mit weiteren Vorteilen behaftet. So wird durch das Einbringen wenigstens eines Heizmittels in wenigstens eine Zellenaufnahme der Vorteil erzielt, dass für genau diese eine Zellenaufnahme eine spezifische Temperaturkurve für das

Prüfprotokoll erzeugt werden kann. Mit anderen Worten kann, wenn mehrere oder

weiligen Heizmittel noch weiter beschleunigt werden kann.

Ebenfalls kann es Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Prüfstation gemäß dem voranstehenden Absatz das wenigstens eine Heizmittel austauschbar und/oder ergänzbar ausgebildet ist. Wie ebenfalls bereits eingangs erläutert worden ist, ist eine erfindungsgemäße Prüfstation für unterschiedliche Temperaturbereiche einsetzbar. Wird diese beispielsweise für Brennstoffzellen für SOFCBrennstoffzellensysteme eingesetzt, so müssen die Heizmittel entsprechend hohe Temperaturen von bis zu 1000 °C zur Verfügung stellen können. Ist die Prüfstation jedoch für PEM-gedacht, so reicht es aus, wenn die Heizmittel entsprechend niedrigere Temperaturen von beispielsweise circa 100 °C erzeugen können. Um eine Prüfstation möglichst flexibel ausgestalten zu können, können die Heizmittel austauschbar sein, sodass die Prüfstation und auch die einzelnen Zellenaufnahmen an die Prüfung von unterschiedlichen Arten von Brennstoffzellen anpassbar sind. Auch das Ergänzen von zusätzlichen Heizmitteln für einzelne Zellenaufnahmen durch entsprechende Aufnahmeabschnitte kann Vorteile mit sich bringen, um nicht nur die Temperatur an sich, sondern auch die gewünschte Wärmemenge, welche in die Zellenaufnahme transportiert werden soll, zu variieren.

Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Prüfstation die Heizvorrichtung wenigstens ein Heizmittel in Form eines Wärmerohrs aufweist. Ein solches Wärmerohr kann auf Englisch mit dem Fachbegriff Heatpipe bezeichnet werden. Ein solches Wärmerohr ist eine besonders effiziente Möglichkeit, verlustarm einen Wärmetransport von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke im Bereich der Zellenaufnahme zur Brennstoffzelle hin zur Verfügung zu stellen. Dabei

wird die gemäß eines Wärmerohrs bekannte Ausführung vorgesehen, sodass ein

ausgebildet.

Es kann weitere Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Prüfstation die Heizvorrichtung wenigstens eine elektrische Wärmequelle aufweist, insbesondere eine spezifische elektrische Wärmequelle für jedes Heizmittel der Heizvorrichtung. Mit anderen Worten wird es möglich, wenn jede Zellenaufnahme ein oder mehrere spezifische Heizmittel aufweist, dass für jede Zellenaufnahme auch eine zugehörige spezifische Heizvorrichtung vorgesehen ist. Dies erlaubt es, zu jeder Zellenaufnahme nicht nur ein direktes Beheizen, sondern auch ein spezifisches Beheizen mit einer für diese Zellenaufnahme spezifischen Temperaturkurve gewährleisten zu können. Damit wird es möglich, dass mithilfe einer elektrischen, und damit kostengünstigen, und gut zu kontrollierenden Wärmequelle ein hoher Grad an Flexi-

bilität für die Prüfstation gewährleistet werden kann.

Weitere Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Prüfstation die Zellenaufnahmen thermisch gegeneinander und/oder gegen die Umgebung isoliert sind. Darunter ist zu verstehen, dass zum Beispiel mit thermisch isolierendem Material, welches zwischen den Zellenaufnahmen angeordnet ist und/oder welche das Gehäuse gegen die Umgebung abschirmt, ein Wärmeaustausch mit der Umgebung und/oder mit benachbarten Zellenaufnahmen deutlich reduziert wird. Hinsichtlich der Isolation gegen die Umgebung führt dies zu geringeren Wärmeverlusten und

zu einer besseren energetischen Abdichtung, sodass ein geringerer energetischer

Isolierung durch Vakuum oder Luftspalte, gewährleistet sein.

Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Prüfstation die Kathodengaszufuhr, die Kathodengasabfuhr, die Anodengaszufuhr und/oder die Anodengasabfuhr eine Ventilvorrichtung zur Kontrolle des jeweiligen Gasstroms aufweisen. Darunter ist zu verstehen, dass zum Beispiel die Menge, der Druck und/oder die Zusammensetzung des jeweiligen Gasstroms anpassbar wird. Hier können kontrollierbare Kugelventile oder Ähnliches eingesetzt werden. Die Ventilvorrichtung ist also in der Lage, sowohl das Zufuhrgas als auch das Abfuhrgas in steuernder und/oder regelnder Weise zu kontrollieren. Dies kann rein qualitativ gewährleistet sein, wenn beispielsweise einzelne Zellenaufnahmen ein- oder ausgeschaltet werden sollen. Jedoch ist auch eine quantitative Kontrolle der einzelnen Ventilvorrichtungen denkbar, um eine noch flexiblere Einsatzgenauigkeit und insbesondere eine spezifische Durchführung von unterschiedlichen Parametervariationen für die einzelnen

Zellenaufnahmen gewährleisten zu können.

Es kann darüber hinaus Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Prüfstation die Haltevorrichtung jeder Zellenaufnahme an eine Geometrie der aufzunehmenden Brennstoffzelle angepasst ist. Brennstoffzellen können je nach späterer Einsatzsituation im Brennstoffzellensystem und/oder im Brennstoffzellenstapel unterschiedliche AußRengeometrien aufweisen. Neben plattenförmigen oder scheibenförmigen Geometrien sind auch knopfzellenartige Brennstoffzellen sowie zylindrische Brennstoffzellen bekannt. Je nachdem, welche geometrische Form von Brennstoffzellen gewünscht wird, kann die Zellenaufnahme, insbesondere hinsichtlich der sich ausbildenden Gaskavitäten, an die tatsächliche zu prüfende AußRengeometrie der

Brennstoffzelle konstruktiv angepasst werden.

Verfügung gestellt sein können, ausgestattet.

Weiter von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Prüfstation die Zellenaufnahme und/oder die Heizvorrichtung einen oder mehrere Temperatursensoren aufweist. In der Zellenaufnahme wird es möglich, die Temperatur, in der Zellenaufnahme und damit annähernd auch die Temperatur der Brennstoffzelle, selbst zu bestimmen. In der Heizvorrichtung, insbesondere in einem Heizmittel, kann die Temperatur des Heizmittels bestimmt werden, sodass die Heizqualität und/oder die Heizquantität bestimmbar wird. Insbesondere können beide Temperaturen bestimmt werden, sodass der Temperaturgradient und damit die Aufheizgeschwindigkeit zwischen der Heizvorrichtung und der Zellenaufnahme, und damit auch der Brennstoff-

zelle, kontrollierbar wird.

Von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Prüfstation die Haltevorrichtung wenigstens abschnittsweise eine Wärmebrücke aus wärmeleitendem Material zu der Heizvorrichtung, insbesondere zu dem wenigstens einen Heizmittel, aufweist. Eine Wärmebrücke ist dabei im Wesentlichen gegensätzlich zu einer Wärmeisolation zu verstehen und weist insbesondere ein wärmeleitendes Material auf. Sie dient dazu, einen wärmeleitenden Kontakt zwischen dem Heizmittel der Heizvorrichtung auf der einen Seite und der Haltevorrichtung, insbesondere sogar kontaktierend direkt zur Brennstoffzelle selbst, zur Verfügung zu stellen. Je besser

und verlustfreier und insbesondere je widerstandsärmer der Wärmetransport von der

da Temperaturerhöhungen schneller umgesetzt werden können.

Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Prüfstation in der Kathodengasabfuhr und/oder in der Anodengasabfuhr eine Gasanalysevorrichtung angeordnet ist. Dabei kann eine solche Gasanalysevorrichtung spezifisch für jede einzelne Zellenaufnahme vorgesehen sein. Bevorzugt ist es dabei, wenn über Ventilweichen die Gasanalysevorrichtung einmalig im Prüfgehäuse angeordnet ist, und über diese Ventilweichen die Gasanalysevorrichtung immer nur mit dem Abfuhrgas von einer Zellenaufnahme beaufschlagt wird. Damit wird es möglich, neben elektrischen Kontrollbarametern auch Gaskontrollparameter für die jeweilige Zellenaufnahme zu erfassen, und dem Prüfergebnis bei der Durchführung des Prüfprotokolls zur Verfügung zu stellen. Ebenso kann durch die Gasanalyse z.B. ein ungewollter Betriebszustand detektiert werden, um dann direkt auf das laufende

Prüfprogramm Einfluss zu nehmen.

Darüber hinaus kann es Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Prüfstation das Gehäuse modular ausgebildet ist, insbesondere Modulschnittstellen zur mechanischen, fluudkommunizierenden und/oder signalkommunizierenden Anbindung an ein Gehäuse wenigstens einer weiteren Prüfstation aufweist. Mit anderen Worten wird es möglich, die Prüfstation zu einem Prüfstationssystem weiterzubilden, indem zwei oder mehr Prüfstationen über die Modulschnittstellen miteinander verbunden werden. Neben einem einfachen mechanischen Festlegen von mehreren Prüfstationen nebeneinander, ist auch eine Fluidkommunikation der Gaszufuhr und der Gasabfuhr und/oder einer Signalkommunikation mit einem zentralen Kontrollmodul denkbar. Dies führt dazu, dass die einzelnen Prüfstationen in einem solchen Prüfstationssystem, zum Beispiel für unterschiedliche Geometrien der Brennstoffzellen, kombiniert werden können. Auch können die kombinierten Prüfstationen unterschiedliche Heizvorrichtungen aufweisen, um entsprechend deren Ausbildung unter-

schiedliche Temperaturbereiche für unterschiedliche Prüfdurchläufe gewährleisten zu

durch Verwendung der jeweils passenden Prüfstationen.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Prüfverfahren für ein zumindest teilweise zeitlich paralleles Prüfen von wenigstens zwei Brennstoffzellen, insbesondere in einer erfindungsgemäßen Prüfstation. Ein solches Prüfverfahren

zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

— Einsetzen je einer Brennstoffzelle in je eine Zellenaufnahme der Prüfstation,

— Heizen der Brennstoffzelle mithilfe der Heizvorrichtung, — Betreiben der Brennstoffzellen mittels Zufuhrgasen und Abfuhrgasen.

Durch Verwenden einer erfindungsgemäßen Prüfstation bringt ein erfindungsgemäRes Prüfverfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf

eine erfindungsgemäße Prüfstation erläutert worden sind.

Ein solches Prüfverfahren lässt sich dahingehend weiterbilden, dass für wenigstens eine Zellenaufnahme, insbesondere für alle Zellenaufnahmen, eine spezifische Temperaturkontrolle durchgeführt wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn spezifische Heizmittel für jede Zellenaufnahme vorgesehen sind, sodass diese spezifische Kontrollierbarkeit durch die entsprechenden Merkmale und die Ausbildung in der Prüfstation abgebildet ist. Dies erlaubt es, zeitlich unabhängig voneinander und auch örtlich unabhängig voneinander für jede Zellenaufnahme zu jedem Zeitpunkt eine spezifische Temperaturvorgabe machen zu können, welche durch die Heizvorrichtung anschließend realisiert wird. Gleiches gilt vorzugsweise auch für eine spezifische Vorgabe von unterschiedlichen Drücken, Gaszusammensetzungen oder Gasmengen, welche durch die bereits erläuterten Ventilvorrichtungen und/oder Gasmischvorrichtungen spezifisch für die einzelnen Zellenaufnahmen eingestellt werden

können.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schema-

tisch:

13 Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Prüfstation, Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Prüfstation, Fig. 3 ein schematischer Querschnitt einer Zellenaufnahme, Fig. 4 ein weiterer Querschnitt durch eine Zellenaufnahme, Fig. 5 ein schematischer Querschnitt durch eine Prüfstation, Fig. 6 ein schematischer Querschnitt durch eine Prüfstation, Fig. 7 ein schematischer Querschnitt durch eine Prüfstation.

Figur 1 zeigt schematisch, wie eine Prüfstation 10 ausgebildet sein kann. Diese ist mit einem Gehäuse 20 versehen und weist hier schlitzförmige Zellenaufnahmen 30 auf. Diese sind hier jeweils in drei Gruppen mit je vier Zellenaufnahmen 30 ausgebildet. Für die Durchführung des Prüfens findet selbstverständlich ein gasdichtes Verschließen der einzelnen Zellenaufnahmen statt, um den Betrieb mit Zufuhrgasen ZG und Abfuhrgasen AG in sicherer Weise für jede Zellenaufnahme 30 gewährleisten zu können. Die Figur 1 zeigt bereits die Kompaktheit einer solchen Prüfstation, welche es erlaubt, in einem geringeren Volumen als bisherige Prüfstationen eine hohe Anzahl von einzelnen Brennstoffzellen 100 (in der Abbildung beispielshaft in zwei Zel-

lenaufnahmen 30) jeweils spezifisch in den einzelnen Zellenaufnahmen 30 zu prüfen.

Die Figur 2 zeigt eine Variante der Figur 1 mit einem schematischen Einblick. Im Gegensatz zu den schlitzartig ausgebildeten Zellenaufnahmen 30 der Figur 1 sind hier die Zellenaufnahmen 30 an eine zylinderförmige Ausgestaltung der Brennstoffzellen 100 angepasst. In besonders einfacher Weise ist hier die Heizvorrichtung 40 mit einer Oberhitze und einer Unterhitze ausgebildet, welche in der Lage ist, alle Zellenaufnahmen 30 gemeinsam innerhalb des Gehäuses 20 zu beheizen. Auch dies erlaubt es bereits, ein zeitlich paralleles Heizen der Zellenaufnahmen 30 durchzuführen, wobei jedoch bevorzugt ist, die später noch mögliche spezifische Beheizung einzelner Zellenaufnahmen 30 vorzusehen.

Der Figur 2 ist darüber hinaus eine Lösung zu entnehmen, bei welcher an der Seite des Gehäuses 20 Modulschnittstellen 22 vorgesehen sind, welche für ein Andocken

an Modulschnittstellen 22 eines nicht dargestellten, benachbarten Gehäuses 20 einer

weiteren Prüfstation 10 zu ermöglichen. Damit kann ein ganzes System aus zwei

oder mehr Prüfstationen 10 aufgebaut werden, um eine noch größere Anzahl von

Brennstoffzellen 100 (in der Abbildung nicht gezeigt) gleichzeitig prüfen zu können.

Die Heizvorrichtung 40 kann dazu genutzt werden, um die ganze Prüfstation 10 gleichmäßig zu temperieren oder um eine bestimmte Starttemperatur einzustellen. Abhängig vom Prüfprotokoll ist es also nicht zwingend nötig, in jedem Fall individuell für jede Zellenaufnahme 30 die Temperatur einzustellen.

Weiterhin kann mit einer zentralen Heizvorrichtung 40 in Kombination mit individuellen Heizmitteln 42 der einzelnen Zellenaufnahmen 30 z.B. ein schnelleres Aufheizen ermöglicht werden, bis zu einer Temperatur, bei der individuelle Temperaturvorgaben

umgesetzt werden müssen.

Die Figur 3 zeigt einen schematischen Einblick in das Innenleben einer Prüfstation 10. Hier ist ein schematischer Querschnitt durch eine Zellenaufnahme 30 dargestellt. In dieser Zellenaufnahme 30 ist eine Brennstoffzelle 100 angeordnet, welche hier in Kreuzschraffur in Prüfposition PP dargestellt ist. Die Haltevorrichtung 32 dichtet dabei die umlaufenden Kanten der Brennstoffzelle 100 ab, sodass sich oberhalb der Brennstoffzelle 100 eine anodenseitige Gaskavität 33 und unterhalb der Brennstoffzelle 100 eine kathodenseitige Gaskavität 34 ausbildet. Die Definition einer Kathodenseite und einer Anodenseite hängt selbstverständlich von den verwendeten Gasen und der verwendeten Betriebsweise ab und kann sich dementsprechend je nach Betriebssituation und Brennstoffzelle 100 ändern.

Für den Betrieb der Brennstoffzelle 100 mit den entsprechenden Zufuhrgasen ZG und Abfuhrgasen AG sind für die anodenseitige Gaskavität 33 eine Anodengaszufuhr 35 und zwei Anodengasabfuhren 36 vorgesehen. In identischer Weise ist auf der gegenüberliegenden kathodenseitigen Gaskavität 34 eine Kathodengaszufuhr 37 und zwei Kathodengasabfuhren 38 vorgesehen. Damit wird es nun möglich, über entsprechende Gaszusammensetzungen als Zufuhrgase ZG die beiden Seiten der

Brennstoffzelle 100 mit Gasen zu beaufschlagen und diese in Betrieb zu nehmen.

Für diesen Betrieb, also für die Umwandlung von Gasen, insbesondere eines Brennstoffs auf der einen Seite und einer Luftzusammensetzung auf der anderen Seite, wird nun bei einer erfindungsgemäßen Prüfstation 10 eine spezifische, für diese Zel-

lenaufnahme 30 angelegte Temperaturkurve möglich. Dies wird dadurch gewährleis-

In der Figur 4 ist eine ähnliche Variante, eine Alternative zur Figur 3, dargestellt. Die Heizmittel 42 sind hier flächenförmig ausgebildet und können zum Beispiel direkt Elektroheizungen darstellen. Jedoch sind auch flächenförmige Heatpipes als Ausgestaltungen dieser Ausführungsform grundsätzlich denkbar. Gemäß der Figur 4 ist darüber hinaus ein elektrisches Anschlussmittel 50 dargestellt, welches hier als Flächenkontakte zur elektrischen Kontaktierung der beiden Seiten der Brennstoffzelle 100 ausgebildet ist. Diese Anschlussmittel 50 sind selbstverständlich, nicht in der Figur 4 dargestellt, mit elektrischen Verkabelungen für das Abgreifen der erzeugten elektrischen Leistung mit entsprechenden weiteren Elektronikbauteilen verbunden. Zusätzlich sind bei der Ausführungsform der Figur 4 in der oberen und der unteren Haltevorrichtung 32 jeweils ein Temperatursensor 90 integriert. Die Überwachung der Temperatur an dieser Position erlaubt eine noch genauere Kontrolle der Heizvorrichtung zur Einhaltung einer vorgegebenen Temperaturkurve für die zu prüfende

Brennstoffzelle 100.

Die Figur 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Gehäuse 20 einer Prüfstation 10, wie die spezifische Heizmöglichkeit ausgebildet sein kann. Hier sind schematisch übereinander drei Zellenaufnahmen 30 angeordnet, wobei sich in jeder, schematisch dargestellt, eine Brennstoffzelle 100 in Prüfposition PP befindet. In der Haltevorrichtung 32 sind diese Brennstoffzellen 100 gehalten und oberhalb und unterhalb dieser Brennstoffzellen 100 ist in jeder Zellenaufnahme 30 eine Anzahl spezifischer Heizmittel 42 vorgesehen. Mithilfe einer elektrischen Heizvorrichtung 44 ist es nun möglich, jedes einzelne Heizmittel 42 spezifisch von der gemeinsamen Heizvorrichtung 40 mit einer Wärmemenge zu versorgen, sodass jede Zellenaufnahme 30 unabhängig von allen anderen Zellenaufnahmen einen spezifischen Temperaturver-

lauf als Prüfprotokoll durchfahren kann. Jede Brennstoffzelle 100 kann somit spezi-

fisch einem Prüfprotokoll unterzogen werden, welches zwar zeitgleich, aber hinsicht-

lich der tatsächlichen Ausprägung unabhängig von den anderen Zellenaufnahmen

durchgeführt werden kann.

Die Figur 6 zeigt eine ähnliche Variationsmöglichkeit wie die Temperaturvariation hinsichtlich der Flexibilität, welche zur Figur 5 erläutert worden ist. Jedoch zeigt die Figur 6 dies mit Bezug auf die Gaszusammensetzung der Zufuhrgase. Hier wird als Zufuhrgas ZG die Anodengaszufuhr 35 erläutert, jedoch gilt die gleiche Lösung in ähnlicher Weise auch für eine Anwendung für die Kathodengaszufuhr 37 oder für beide Gaskavitäten gleichzeitig. Hier sind drei Gasquellen 72a, 72b und 72c schematisch rechts außerhalb des Gehäuses 20 dargestellt, welche die Mischvorrichtungen 70 für die mittlere und die untere Zellenaufnahme 30 mit Gas versorgen können. Während die oberste Zellenaufnahme 30 über die Ventilvorrichtung 60 ausschließlich mit dem ersten Zufuhrgas ZG aus der ersten Gasquelle 72a versorgt werden kann, können die mittlere und die untere Zellenaufnahme 30 über die Mischvorrichtung 70 mit Gasmischungen aus den Gasquellen 72a, 72b und/oder 72c versorgt werden. Dabei kann es sich um die Anreichung von unterschiedlichen Gasen handeln. So können unterschiedliche Konzentrationen an Brennstoff, unterschiedliche Konzentrationen an Schadgasen oder aber auch unterschiedliche Konzentrationen an Sauerstoff geprüft werden und insbesondere durch paralleles Abfahren von ähnlichen oder sich unterscheidenden Prüfprotokollen die Brennstoffzellen 100 diesen unterschiedlichen Gaszusammensetzungen als Prüfung unterzogen werden. Die Kombination unterschiedlicher Mischmöglichkeiten in dieser Figur 6 ist rein beispielhaft zu verstehen. Es kann vorteilhaft sein, wenn alle Zellenaufnahmen 30 mit Mischvorrichtungen 70 ausgestattet sind, welche jeweils eine Mischung aus allen vorhandenen Gasquellen 72a, 72b und 72c ermöglichen. Selbstverständlich ist auch die Anzahl der unterschiedlichen Gasquellen 72a, 72b, 72c nicht auf die Anzahl drei, wie in der Figur 6 dargestellt beschränkt. Die Gasquellen 72a, 7/1b, 72c können reine Gase oder be-

reits Gasmischungen beinhalten.

Die Figur 7 zeigt eine ergänzte Auswertungsmöglichkeit. Hier sind die einzelnen Zellenaufnahmen 30 ebenfalls wieder über Ventilvorrichtungen 60 mit einem gemeinsamen Abgasauslass verbunden. Über die Ventilvorrichtungen 60 (z.B. 3Wegeventil) kann alternativ eine Verbindung des Abgases einer einzigen Zellenauf-

nahme 30 zu einer Gasanalysevorrichtung 80 hergestellt werden, sodass neben ei-

ner Überwachung von elektrischen Parametern und/oder von Temperaturparametern

auch eine Gasanalytik für die einzelnen Zellenaufnahmen 30 möglich wird.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende

Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

Bezugszeichenliste

10 Prüfstation

20 Gehäuse

22 Modulschnittstelle

30 Zellenaufnahme

32 Haltevorrichtung

33 anodenseitige Gaskavität 34 kathodenseitige Gaskavität 35 Anodengaszufuhr

36 Anodengasabfuhr

37 Kathodengaszufuhr

38 Kathodengasabfuhr

40 Heizvorrichtung

42 Heizmittel

44 Wärmequelle

50 Anschlussmittel

60 Ventilvorrichtung

70 Gasmischvorrichtung 72a Gasquelle

72b Gasquelle

72c Gasquelle

80 Gasanalysevorrichtung

90 Temperatursensor 100 Brennstoffzelle PP Prüfposition

ZG Zufuhrgas AG Abfuhrgas

Claims

Patentansprüche

1. Prüfstation (10) zum zumindest teilweise zeitlich parallelen Prüfen von wenigstens zwei Brennstoffzellen (100), wobei ein Gehäuse (20) in welchem wenigstens zwei Zellenaufnahmen (30) zur Aufnahme jeweils einer Brennstoffzelle (100) angeordnet sind, wobei jede Zellenaufnahme (30) eine Haltevorrichtung (32) aufweist für ein Halten der aufgenommenen Brennstoffzelle (100) in einer Prüfposition (PP), wobei sich in der Prüfposition (PP) oberhalb und unterhalb der Brennstoffzelle (100) jeweils eine anodenseitige Gaskavität (33) und eine kathodenseitige Gaskavität (34) ausbildet für einen Betrieb der Brennstoffzelle (100) mit Zufuhrgasen (ZG) und Abfuhrgasen (AG), dadurch gekennzeichnet, dass jede Zellenaufnahme (30) eine Anodengaszufuhr (35) und eine Anodengasabfuhr (36) in fluudkommunizierender Verbindung mit der anodenseitigen Gaskavität (33) sowie eine Kathodengaszufuhr (37) und eine Kathodengasabfuhr (38) in fluidkommunizierender Verbindung mit der kathodenseitigen Gaskavität (34) aufweist, wobei weiter im Gehäuse (20) wenigstens eine Heizvorrichtung (40) für ein aktives Beheizen der Zellenaufnahmen (30) angeordnet ist.

2. Prüfstation (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (20), insbesondere an jeder Zellenaufnahme (30), Anschlussmittel (50) für einen elektrischen Anschluss der Brennstoffzelle (100) in der Prüfposition (PP)

angeordnet sind.

3. Prüfstation (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (40) wenigstens ein Heizmittel (42) in zumindest einer Zellenaufnahme (30) aufweist für ein spezifisches und direktes Beheizen einer in dieser Zellenaufnahme (30) in Prüfposition (PP) aufgenommenen Brennstoffzelle (100), wobei die Heizvorrichtung (40) insbesondere Heizmittel (42) in jeder Zellenaufnahme (30) aufweist für ein spezifisches und direktes Beheizen von in den Zellenaufnahmen (30) in Prüfposition (PP)

aufgenommenen Brennstoffzellen (100)

4. Prüfstation (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Heizmittel (42) austauschbar und/oder ergänzbar ausgebildet

ist.

6. Prüfstation (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (40) wenigstens eine elektrische Wärmequelle (44) aufweist, insbesondere eine spezifische elektrische Wär-

mequelle (44) für Jedes Heizmittel (42) der Heizvorrichtung (40).

7. Prüfstation (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenaufnahmen (30) thermisch gegeneinander

und/oder gegen die Umgebung isoliert sind.

8. Prüfstation (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodengaszufuhr (35), die Anodengasabfuhr (36), die Kathodengaszufuhr (37) und/oder die Kathodengasabfuhr (38) eine Ventil-

vorrichtung (60) zur Kontrolle des jeweiligen Gasstroms aufweisen.

9. Prüfstation (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (32) jeder Zellenaufnahme (30) an eine Geometrie der aufzunehmenden Brennstoffzelle (100) angepasst ist.

10. Prüfstation (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (20) wenigstens eine Gasmischvorrichtung (70) angeordnet ist für ein Erzeugen einer Gasmischung zur Zufuhr über die

Anodengaszufuhr (35) und/oder die Kathodengaszufuhr (37).

11. Prüfstation (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenaufnahme (30) und/oder die Heizvorrichtung

(40) einen oder mehrere Temperatursensoren (90) aufweist.

12. Prüfstation (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (32) wenigstens abschnittsweise eine Wärmebrücke aus wärmeleitendem Material zu der Heizvorrichtung (40),

insbesondere zu wenigstens einem Heizmittel (42), aufweist.

14. Prüfstation (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (20) modular ausgebildet ist, insbesondere Modulschnittstellen (22) zur mechanischen, fluidkommunizierenden und/oder signalkommunizierenden Anbindung an ein Gehäuse (20) wenigstens einer weiteren Prüfstation (10) aufweist.

15. Prüfverfahren für ein zumindest teilweise zeitlich paralleles Prüfen von wenigstens zwei Brennstoffzellen (100), insbesondere in einer Prüfstation (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Einsetzen je einer Brennstoffzelle (100) in je eine Zellenaufnahme (30) der Prüfstation (10),

- Heizen der Brennstoffzellen (100) mithilfe der Heizvorrichtung (40),

- Betreiben der Brennstoffzellen mittels Zufuhrgasen (ZG) und Abfuhrgasen (AG).

16. Prüfverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass für wenigstens eine Zellenaufnahme (30), insbesondere für alle Zellenaufnahmen (30),

eine spezifische Temperaturkontrolle durchgeführt wird.