AT525648A4

AT525648A4 - Prüfvorrichtung zum Prüfen einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: AT525648A4
Application number: ATA50092/2022A
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: 2023-06-15
Also published as: WO2023150817A1; AT525648B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung (90) zum Prüfen einer Brennstoffzelle (100), aufweisend eine Zellenaufnahme (30) zur Aufnahme einer Brennstoffzelle (100) mit einer Haltevorrichtung (32) 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 Zufuhrgas (ZG) und Abfuhrgas (AG), wobei weiter die 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, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenaufnahme (30) wenigstens ein Heizmittel (42) mit einer Heatpipe-Funktion aufweist.

Description

Prüfvorrichtung zum Prüfen einer Brennstoffzelle

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zum Prüfen einer Brennstoffzelle und eine Prüfstation zum zumindest teilweise zeitlich parallelen Prüfen von zumindest zwei Brennstoffzellen.

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 anderen Brennstoffzellenstapeln ein Brennstoffzellensystem ausbilden.

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

Ein weiterer Nachteil der bestehenden Lösungen ist, dass bei einer bekannten Prüfvorrichtung für eine Brennstoffzelle die Temperaturkontrolle über den externen Ofen nur mit begrenzter Genauigkeit und mit großer Kontrollträgheit für Kontrolleingriffe

erfolgen kann.

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 genauere Kontrollmöglichkeit für eine Temperaturkurve zur Verfügung zu stellen, insbesondere um eine Vielzahl von Brennstoffzellen zeitlich parallel zu

prüfen.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch eine Prüfvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Prüfstation 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 Prüfvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Prüfstation

und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfin-

kann.

Erfindungsgemäß dient eine Prüfvorrichtung zum Prüfen einer Brennstoffzelle. Hierfür weist die Prüfvorrichtung eine Zellenaufnahme zur Aufnahme einer Brennstoffzelle mit einer Haltevorrichtung für ein Halten der aufgenommenen Brennstoffzelle in einer Prüfposition auf. In der Prüfposition bildet sich oberhalb der Brennstoffzelle eine anodenseitige Gaskavität und unterhalb der Brennstoffzelle jeweils eine kathodenseitige Gaskavität aus, für einen Betrieb der Brennstoffzelle mit Zufuhrgas und Abfuhrgas. Weiter ist die Zellenaufnahme mit einer Kathodengaszufuhr und einer Kathodengasabfuhr in fluuıudkommunizierender Verbindung mit der kathodenseitigen Gaskavität ausgestattet. In fluidkommunizierender Verbindung mit der anodenseitigen Gaskavität ist eine Anodengaszufuhr und eine Anodengasabfuhr vorgesehen. Eine erfindungsgemäße Prüfvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Zellenaufnahme wenigstens ein Heizmittel mit einer Heatpipe-Funktion aufweist. Es ist noch darauf hinzuweisen, dass die Polarität in der Prüfposition in Abhängigkeit von der Betriebsweise und/oder der Art der Brennstoffzelle auch anders ausgebildet sein kann, also mit einer kathodenseitigen Gaskavität oberhalb der Brennstoffzelle und einer anodenseitigen Gaskavität unterhalb der Brennstoffzelle. Auch wenn die vorliegende Beschreibung sich mit einer dieser beiden Varianten befasst, sind beide Aus-

führen im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich.

Der erfindungsgemäße Kerngedanke liegt in der Art der Beheizung. Eine solche Prüfstation kann in ähnlicher oder sogar identischer Weise einen Grundaufbau aufweisen, wie dies auch für bekannte Prüfstationen gilt. Während jedoch bei bekannten Prüfstationen diese auf eine externe Heizvorrichtung angewiesen waren, welche üblicherweise in Form eines Ofens zur Verfügung gestellt wurde, in welche die komplette Prüfvorrichtung eingebracht wurde, ist die Heizfunktionalität bei der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung in dieselbe integriert. Hierfür kann die Zellenaufnahme der Prüfvorrichtung beispielsweise ein eigenes Gehäuse aufweisen, in welchem

die Haltevorrichtung, aber auch das wenigstens eine Heizmittel, angeordnet ist.

Um die Integration mit einer möglichst genauen Kontrollierbarkeit für Prüfkurven an Temperaturverläufen für die Brennstoffzellen zu kombinieren, ist bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung das wenigstens eine Heizmittel mit einer Heatpipe-Funktion

ausgestattet. Eine Heatpipe-Funktion ist für ein Heizmittel eine Funktionalität, welche

mittel wird nachfolgend kurz näher erläutert.

Eine Heatpipe dient dazu, von einer Wärmequelle Wärme aufzunehmen und möglichst verlustarm an eine Wärmesenke zur Abgabe der aufgenommenen Wärme zu transportieren. Hierfür ist im Innenraum einer solchen Heatpipe und damit eines auf diese Funktionalität ausgerichteten Heizmittels ein Fluidraum zur Verfügung gestellt, welcher ein Heizfluid aufnehmen kann. Das Heizfluid kann zwischen einer flüssigen Phase und einer gasförmigen Phase wechseln und, wie bereits erläutert worden ist, zum Beispiel Wasser sein. An der Wärmequelle wird nun Wärme über die Wandung des Heizmittels in diesen Fluidraum eingebracht. Diese Wärme führt zum Aufheizen des darin angeordneten flüssigen Heizfluides, bis der Siedepunkt des Heizfluides erreicht ist. Sobald der Siedepunkt erreicht ist, erfolgt kein weiteres Aufheizen des Heizfluides, sondern ein Verdampfen des Heizfluides und damit ein Phasenübergang des Heizfluides in die gasförmige Phase. Das gasförmige Heizfluid wird durch die beim Verdampfen entstehenden Druckunterscheide eine Bewegung von der Wärmequelle weg durchführen. Mit anderen Worten wird nun das mit Wärme aufgeladene und gasförmige Heizfluid, sich von der Wärmequelle wegbewegen und zum Beispiel bei rohrförmiger Ausgestaltung der Heatpipe in Richtung der am anderen Ende der Heatpipe angeordneten Wärmesenke bewegen. Die Wärmesenke zeichnet sich dadurch aus, dass an dieser Stelle eine Abnahme von Wärme stattfinden kann. Es soll also ein Bauteil, im vorliegenden Fall die Zellenaufnahme, die Haltevorrichtung und/oder die Brennstoffzelle, beheizt werden. Mit Bezug auf das gasförmige Heizfluid bedeutet dies eine Kühlfunktion, also eine Abgabe von Wärme vom gasförmigen Heizfluid an dieser Wärmesenke. Dadurch, dass nun an der Wärmesenke, welche am anderen Ende des Heizmittels angeordnet ist, nun Wärme dem gasförmigen Heizfluid entzogen wird, sinkt dessen Temperatur wieder, bis die Siedetemperatur erreicht ist. Sobald dies der Fall ist, kondensiert das Heizmittel und die entsprechende Kondensationsenthalpie wird als Abwärme der Umgebung und hier zum Aufheizen der benachbarten Bauteile abgegeben. Nach dem Kondensieren, also nach dem

Verflüssigen des Heizfluids, liegt dieses wieder als flüssige Phase vor und kann auf-

grund des sich einstellenden Kreislaufprinzips wieder zur Wärmequelle zurücktrans-

portiert werden. Dies geschieht automatisch, entweder durch Schwerkraftförderung

oder aber durch Kapillarkräfte, wenn entsprechende Kapillarfördermittel in den Innen-

raum des Heizmittels integriert sind.

Wie aus der voranstehenden Erläuterung der Heatpipe-Funktion ersichtlich wird, kann die Wärmequelle auch als Verdampferabschnitt des Heizmittels und die Wärmesenke auch als Kondensationsabschnitt des Heizmittels bezeichnet werden. Die Verwendung dieser Heatpipe-Funktion bringt diverse Vorteile mit sich. Insbesondere ist hier eine sehr genaue Kontrollierbarkeit gegeben, da über das physikalische Wissen der Verdampfungsenthalpie, der Kondensationsenthalpie sowie der Siedetemperatur des Heizfluides eine genaue Vorhersage getroffen werden kann, welche Wärmemengen und welche Temperaturen jeweils bei der Aufnahme und Abgabe der Wärme erzielbar sind. Damit wird sichergestellt, dass sehr genau der Wärmeeintrag in die Brennstoffzelle der Prüfvorrichtung kontrolliert werden kann. Darüber hinaus ist der Transport von der Wärmequelle zur Wärmesenke bei einem Heizmittel mit Heatpipe-Funktion sehr verlustarm. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass die Wärme erst an der Wärmesenke abgegeben wird, also dort, wo aus Sicht des

Heizfluides eine Kühlfunktion die Wärmeabgabe erzwingt.

Es kann zusammengefasst werden, dass die Ausbildung des wenigstens einen Heizmittels in Form einer Heatpipe-Funktion eine deutlich verbesserte Kontrollierbarkeit bei dem Prüfen mit vordefinierten Temperaturkurven mit sich bringt. Darüber hinaus wird die Effizienz gesteigert, da mit geringeren Verlusten und geringeren Kontrollschwankungen die gewünschte Aufheizfunktionalität und das Einstellen von Temperaturkurven möglich wird. Nicht zuletzt wird durch die Heatpipe-Funktion eine Integrationsfähigkeit des Heizmittels direkt in die Prüfvorrichtung möglich. Im Vergleich zu den bekannten Lösungen, bei welchen ein externer Ofen die Aufheizfunktion und die Temperaturhaltefunktion zur Verfügung stellen musste, kann damit eine deutlich kompaktere Bauweise für die Prüfvorrichtung erzielt werden, da die Heizfunktionalität in die Prüfvorrichtung selbst integriert wurde und kein externer Ofen

mehr notwendig ist.

Auch ist noch darauf hinzuweisen, dass die Heizvorrichtung entweder anpassbar ausgebildet sein kann oder aber eine Wechselmöglichkeit aufweist, sodass eine sol-

che Prüfvorrichtung für unterschiedliche Temperaturbereiche eingesetzt werden

Bei einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung ist es nun also möglich, die Brennstoffzellen, beispielsweise über schlitzartige oder anderweitig an die Geometrie der jeweiligen Brennstoffzelle angepasste Öffnungen, in die Zellenaufnahme einzubringen. Durch die darin vorhandene Haltevorrichtung wird die Brennstoffzelle 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 die Brennstoffzelle nun innerhalb einer Zellenaufnahme angeordnet worden ist, kann das Prüfen stattfinden.

Die Prüfvorrichtung 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 Prüfvorrichtung 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.

Es ist noch darauf hinzuweisen, dass je nach Geometrie der Brennstoffzelle die Anordnung der Gaskavitäten angepasst sein kann. Während bei flächigen oder knopfförmigen Brennstoffzellen sich die beiden Gaskavitäten oberhalb und unterhalb der Brennstoffzelle ausbilden, wird bei einer zu prüfenden Brennstoffzelle mit hohlzylind-

rischer oder anderer hohler Bauform die obere Gaskavität sich außerhalb und die un-

sein.

Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung das wenigstens eine Heizmittel wenigstens abschnittsweise in die Haltevorrichtung integriert ist. Eine solche Integration ist insbesondere eine Einbettung in das Material der Haltevorrichtung. Dies kann teilweise oder vollständig geschehen. Ist das Heizmittel beispielsweise rohrförmig, also zylindrisch oder im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, so kann sich der Teil des Heizmittels, in welchem sich der Kondensationsabschnitt der Heatpipe-Funktion befindet, vollständig oder im Wesentlichen vollständig innerhalb des Materials der Haltevorrichtung angeordnet befinden. Der gegenüberliegende Abschnitt, also die Wärmequelle beziehungsweise der Verdampfungsabschnitt der Heatpipe-Funktion kann vorzugsweise aus dem Material der Haltevorrichtung herausragen, sodass ein einfacher Zugang mit entsprechenden Wärmequellen möglich ist. Solche Wärmequellen können dabei in unterschiedlichster Weise vorgesehen sein, werden jedoch bevorzugterweise einfach und kostengünstig gestaltet sein. Hierbei bietet sich zum Beispiel die Verwendung von elektrischen Wärmequellen an. Die Einbettung und Integration in das Material der Haltevorrichtung führt zu einer weiteren Reduktion des Bauraums, sodass die Kompaktheit einer solchen Prüfvorrichtung noch weiter gesteigert werden kann. Darüber hinaus wird der Abstand zwischen dem Heizmittel, insbesondere seiner Wärmesenke, und der zu beheizenden Brennstoffzelle in Prüfposition reduziert. Damit werden Wärmeverluste, der Wärmetransportweg und auch die Aufheizzeit reduziert. Dadurch, dass nun eine geringere Wärmetransportstrecke zwischen der Wärmesenke und der Brennstoffzelle überwunden werden muss, ist auch die Kontrollgenauigkeit verbessert und die Kontrolllatenz reduziert.

Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung das wenigstens eine Heizmittel eine der folgenden Formen aufweist, insbeson-

dere in an eine Form der Brennstoffzelle angepasster Weise:

— rohrförmig, — flächig.

Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Eine flächige Erstreckung kann auch als ein Heizmittelpad oder eine Heizmittelplatte verstanden werden. In allen Fällen sind diese jedoch bevorzugt mit einem Fluidhohlraum ausgestattet, in welchem sich das Heizfluid für die HeatpipeFunktionalität in der bereits erläuterten Weise bewegen kann. Insbesondere handelt es sich um eine Ausbildung mit einer Kapillarförderung im Inneren des Heizmittels, sodass eine Unabhängigkeit oder im Wesentlichen eine Unabhängigkeit von der Schwerkraftausrichtung beim Betreiben der Prüfvorrichtung gegeben ist. Sind mehrere Heizmittel in einer Prüfvorrichtung vorgesehen, so sind diese vorzugsweise alle identisch oder im Wesentlichen identisch ausgebildet. Je nach Form der Brennstoffzelle können dabei unterschiedliche Ausführungsformen der Geometrie der Heizmittel bevorzugt sein, um insbesondere ein möglichst gleichmäßiges Beheizen der

Brennstoffzelle in Prüfposition erreichen zu können.

Weitere Vorteile sind erzielbar, wenn bei einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung die Haltevorrichtung einen Haltekörper aufweist, mit einem oberen Teil-Haltekörper oberhalb der Brennstoffzelle in Prüfposition und einem unteren Teil-Haltekörper unterhalb der Brennstoffzelle in Prüfposition. Dabei sind in dem oberen Teil-Haltekörper und in dem unteren Teil-Haltekörper jeweils wenigstens ein Heizmittel mit einer Heatpipe-Funktion angeordnet. Mit anderen Worten wird durch die Aufteilung des Haltekörpers in einen oberen und in einen unteren Teil-Haltekörper, insbesondere in spiegelbildlicher Weise, ein verbessertes Halten zur Verfügung gestellt. Dann, wenn die Heizmittel nun von beiden Seiten eine Wärmeabgabe auf die Brennstoffzelle in Prüfposition ausbilden können, wird ein sehr gleichmäßiges Aufheizen möglich. Mit anderen Worten wird auf diese Weise eine Wärmeabgabe von der einen Seite und eine Wärmeabgabe von der anderen Seite möglich, sodass unerwünschte Temperaturgradienten zwischen den beiden Seiten einer Brennstoffzelle in Prüfposition vermieden werden können. Es kann jedoch in einem solchen Fall auch eine getrennte Kontrolle der einzelnen Heizmittel in den unterschiedlichen Teil-Haltekörpern stattfinden, sodass auch bewusst Temperaturgradienten in das Material der Brennstoffzelle

eingebracht werden können, wenn dies einen Teil eines Prüfverlaufs, insbesondere

soll.

Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn bei einer Prüfvorrichtung gemäß dem voranstehenden Absatz im oberen Teil-Haltekörper und im unteren Teil-Haltekörper die gleiche Anzahl von Heizmitteln angeordnet ist. Dies erlaubt es, eine gleichmäßigere Temperaturverteilung beim Aufheizen zur Verfügung zu stellen. Auch hier ist selbstverständlich ein bewusstes Vergleichmäßigen, aber auch ein bewusstes Einbringen von Temperaturgradienten und damit ein Erzeugen von thermischen Spannungen, möglich, je nachdem, welche tatsächliche Prüfung durchgeführt werden soll. Beispielsweise kann bewusst eine Schädigungssituation nachgebildet werden, um die Robustheit einer Brennstoffzelle während der Entwicklung neuer Brennstoffzellentypen prüfen zu können. So kann das aktive Einbringen von Temperaturgradienten beispielsweise Fehlkontrollsituationen im realen Betrieb eines Brennstoffzellensystems nachbilden, welche nun anhand einer Defektwahrscheinlichkeit, einer Defektzeit oder ähnlichen Parametern den Robustheitsgrad unterschiedlicher Ausführungs-

formen von Brennstoffzellen wiedergeben kann.

Ein weiterer Vorteil kann erzielt werden, wenn bei einer Prüfvorrichtung gemäß der beiden voranstehenden Absätze die Heizmittel im unteren Teil-Haltekörper relativ zu der Brennstoffzelle in Prüfposition nicht spiegelbildlich zu den Heizmitteln im oberen Teil-Haltekörper angeordnet sind. Mit anderen Worten befinden sich die Heizmittel im unteren Teil-Haltekörper nicht spiegelbildlich gegenüber den Heizmitteln im oberen Teil-Haltekörper. Positiv ausgedrückt ist der gegenüberliegende Abschnitt des oberen Teil-Haltekörpers, in welchem die Heizmittel angeordnet sind, im unteren TeilHaltekörper frei oder im Wesentlichen frei von Teil-Haltemitteln. Dies führt dazu, dass von oben und unten auf die Brennstoffzelle unterschiedliche Einflusspositionen für das Einbringen der Wärme zur Verfügung gestellt werden. Auch hier wird die Flexibilität in der Kontrolle weiter gesteigert, sodass ein bewusstes Vergleichmäßigen, aber auch das bewusste Erzeugen von Temperaturgradienten und Temperaturschwan-

kungen in der Brennstoffzelle, durch unterschiedliche Kontrollvorgaben möglich wird.

Ein weiterer Vorteil kann erzielt werden, wenn bei einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung das wenigstens eine Heizmittel eine thermische Teilisolation aufweist, für ein thermisches Isolieren des Heizmittels in Richtung von der Brennstoffzelle in Prüfposi-

tion weg. Eine solche Teilisolation kann beispielsweise eine schalenförmige Ausge-

Aufheizfunktionalität an der Brennstoffzelle in Prüfposition zur Verfügung steht.

Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung an der 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 beispiels-

weise physisch kontaktierende Halteabschnitte ausbilden.

Ebenfalls kann es Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung das wenigstens eine Heizmittel austauschbar und/oder ergänzbar ausgebildet ist. Wie ebenfalls bereits eingangs erläutert worden ist, ist eine erfindungsgemäße Prüfvorrichtung für unterschiedliche Temperaturbereiche einsetzbar. Wird diese beispielsweise für Brennstoffzellen für SOFC-Brennstoffzellensysteme eingesetzt, so müssen die Heizmittel entsprechend hohe Temperaturen von bis zu 1000 C° zur Verfügung stellen können. Ist die Prüfvorrichtung jedoch für PEMBrennstoffzellensysteme gedacht, so reicht es aus, wenn die Heizmittel entsprechend niedrigere Temperaturen von beispielsweise circa 100 C° erzeugen können. Um eine Prüfvorrichtung möglichst flexibel ausgestalten zu können, können die Heizmittel austauschbar sein, sodass die Prüfvorrichtung und auch die einzelnen Zellenaufnahmen an die Prüfung von unterschiedlichen Arten von Brennstoffzellen anpassbar sind. Auch das Ergänzen von zusätzlichen Heizmitteln für die Zellenauf-

nahmen durch entsprechende Aufnahmeabschnitte kann Vorteile mit sich bringen,

welche in die Zellenaufnahme transportiert werden soll, zu variieren.

Es kann weitere Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung die Heizvorrichtung wenigstens eine elektrische Wärmequelle aufweist. Mit anderen Worten wird es möglich, wenn die Zellenaufnahme ein oder mehrere spezifische Heizmittel aufweist, dass für die Zellenaufnahme auch eine zugehörige spezifische Heizvorrichtung vorgesehen ist. Dies erlaubt es, zu der 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 Flexibilität für die Prüfvorrichtung gewährleistet werden kann.

Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 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

Zellenaufnahmen gewährleisten zu können.

Es kann darüber hinaus Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung die Haltevorrichtung der Zellenaufnahme an eine Geometrie der aufzunehmenden Brennstoffzelle angepasst ist. Brennstoffzellen können je nach späterer Einsatzsituation im Brennstoffzellensystem und/oder im Brennstoffzellenstapel unterschiedliche Außengeometrien aufweisen. Neben plattenförmigen oder scheibenförmigen Geometrien sind auch knopfzellenartige Brennstoffzellen sowie zylindrische Brennstoffzellen bekannt. Je nachdem, welche geometrische Form von Brenn-

stoffzellen gewünscht wird, kann die Zellenaufnahme, insbesondere hinsichtlich der

der Brennstoffzelle konstruktiv angepasst werden.

Weiter von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung die Zellenaufnahme und/oder die Heizvorrichtung einen oder mehrere Temperatursensor 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 Brennstoffzelle, kontrollierbar wird.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Prüfstation zum zumindest teilweise zeitlich parallelen Prüfen von wenigstens zwei Brennstoffzellen, gekennzeichnet durch ein Gehäuse in welchem wenigstens zwei Prüfvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet sind, wobei jede Prüfvorrichtung eine Zellenaufnahme aufweist und die Heizmittel der Prüfvorrichtungen eine Heizvorrich-

tung im Gehäuse für ein aktives Beheizen der Zellenaufnahmen ausbilden.

Der Kerngedanke dieses Gegenstandes 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 Heizvor-

richtung das gesamte Gehäuse und damit alle Zellenaufnahmen sowie die darin an-

geordneten Brennstoffzellen gemeinsam beheizt. Es kann jedoch bevorzugt sein, wie

dies später noch erläutert wird, wenn einzelne Zellenaufnahmen oder sogar alle Zel-

lenaufnahmen separat kontrollierbare Heizmittel aufweisen, sodass eine spezifische

Kontrollmöglichkeit für die Temperierung der einzelnen Brennstoffzellen in den ein-

zelnen Zellenaufnahmen gewährleistet werden kann.

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, gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig in einer gemeinsamen Prüfstation einem gemeinsamen Prüfprotokoll, beispielsweise in Form einer Temperaturkurve, unterzogen werden können. Auch für eine Qualitätsprüfung am Ende einer Produktionslinie bringt eine solche Prüfstation entscheidende Vorteile mit sich. Hier kann eine Stichprobe von mehreren Brennstoffzellen nun nicht mehr wie beim Stand der Technik notwendig nacheinander, sondern zeitlich parallel oder im Wesentlichen parallel in die Zellenaufnahmen eingebracht werden und dem beschriebenen Prüfprotokoll unterzogen werden. Somit wird das zeitlich parallele Prüfen möglich, um einen hohen Zeitvorteil zu erzielen und ein schnelles Prüfergebnis für alle aufgenommenen Brennstoffzellen zum gleichen Zeitpunkt oder im Wesentlichen zum gleichen Zeitpunkt zu erhalten. Neben dem Zeitvorteil für das parallele Durchführen wird darüber hinaus auch noch ein Zeitvorteil hinsichtlich des Aufheizvorgangs erzielt. Während bei den bekannten Lösungen zwischen zwei Prüfdurchführungen immer ein Abküh-

len und ein nachfolgend wieder erfolgendes Aufheizen eines Ofens durchgeführt

werden musste, ist erfindungsgemäß nur noch eine gemeinsame Aufheizperiode und

eine gemeinsame Abkühlperiode für die gesamte Prüfstation oder aber für die jewei-

lige Zellenaufnahme notwendig. Dies führt zu einem weiteren Zeitvorteil durch eine

erfindungsgemäße Prüfstation.

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 Aufwand für die Durchführung der Prüfungen notwendig ist. Damit einher geht auch ein zeitlicher Vorteil, da unter anderem die Aufwärmphase kürzer ausfällt. Eine Abschirmung aus thermischer Sicht gegen die benachbarten Zellenaufnahmen führt dazu, dass insbesondere dann, wenn unterschiedliche Prüfprotokolle mit unterschiedlichen Temperaturen und/oder mit Temperaturen zu unterschiedlichen Zeitpunkten in benachbarten Zellenaufnahmen durchgeführt werden sollen, diese sich gegenseitig nicht oder nur sehr wenig beeinflussen. Auch dies führt in günstiger und kompakter Weise zu einer möglichst genauen Kontrollierbarkeit und darüber hinaus zu einer flexibleren Einsatzmöglichkeit für eine solche Prüfstation. Die thermische Isolierung kann dabei durch thermische Isolationsmaterialien, aber auch durch eine thermische

Isolierung durch Vakuum oder Luftspalte, gewährleistet sein.

Ebenfalls kann es von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Prüfstation im Gehäuse wenigstens eine Gasmischvorrichtung angeordnet ist, für ein Erzeugen einer Gasmischung zur Zufuhr über die Kathodengaszufuhr und/oder die Anodengaszufuhr. Je nach Prüfprotokoll kann es gewünscht sein, dass unterschiedliche Gaszusammensetzungen innerhalb der Prüfvorrichtung als Prüfparameter abgeprüft werden. So können beispielsweise Schadgase, überladene Brennstoffanteile oder eine Unterversorgung mit Brennstoff Teil eines Prüfprotokolls sein. Durch die erfindungsgemäße Kombination mit der Heizvorrichtung können diese nun in definierter Weise unterschiedlichen Temperaturprofilen überlagert werden. Durch das Verwenden einer Gasmischvorrichtung ist es nun möglich, entweder gemeinsam für alle Zellenauf-

nahmen, bevorzugt aber sogar spezifisch für einzelne Zellenaufnahmen oder Grup-

pen von Zellenaufnahmen eine definierte Gasmischung als Zufuhrgas zur Verfügung

zu stellen. Diese Gasmischvorrichtungen sind beispielsweise mit entsprechenden

Gasanschlüssen an Gasquellen, welche zum Beispiel in Form von Gasflaschen zur

Verfügung gestellt sein können, ausgestattet.

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 Heizvorrichtung zur Brennstoffzelle stattfindet, umso genauer ist die Kontrollierbarkeit der Temperatur der Brennstoffzelle gegeben. Darüber hinaus werden auch Heizverluste reduziert, da zuallererst über diese Wärmebrücke die Brennstoffzelle in der Zellenaufnahme beheizt wird, sodass ein sehr genaues Folgen von Temperaturvorgaben im Prüfprotokoll möglich wird. Weiterhin ergibt sich durch die verlustarme, thermische Verbindung der Heizvorrichtung und der Brennstoffzelle ein zeitlicher Vorteil,

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.

durch Verwendung der jeweils passenden Prüfstationen.

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:

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,

Fig. 8 ein schematischer Querschnitt durch eine Prüfvorrichtung,

form einer Prüfvorrichtung,

Fig. 10 ein schematischer Querschnitt durch eine weitere Ausführungs-

form einer Prüfvorrichtung, und Fig. 11 eine Außenansicht einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung.

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, welche jeweils durch einzelne Prüfvorrichtungen 90 gebildet sind. 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 Zellenaufnahmen

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 und damit die entsprechenden Prüfvorrichtungen 90 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 spä-

ter 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 müs-

sen.

Die Figur 3 zeigt einen schematischen Einblick in das Innenleben einer Prüfvorrichtung 90 einer Prüfstation 10. Hier ist ein schematischer Querschnitt durch eine Zellenaufnahme 30 in Form einer Prüfvorrichtung 90 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 Zellenaufnahme 30 angelegte Temperaturkurve möglich. Dies wird dadurch gewährleistet, dass in die Haltevorrichtung 32 hier als Heatpipes beziehungsweise Wärmerohre ausgebildete Heizmittel 42 Teile einer Heizvorrichtung 40 (nicht in Abbildung gezeigt) eingebettet sind. Diese Heizmittel 42 können nun spezifisch beheizt werden und er-

lauben es, die Haltevorrichtung 32 und damit die in der Prüfposition PP angeordnete

Brennstoffzelle 100 auf eine definierte Temperatur zu bringen. Dieser Temperatur-

verlauf kann für unterschiedliche Prüfprotokolle unterschiedlich ausgebildet sein und

ist hier durch die Einbringung der Heizmittel 42 direkt für diese Zellenaufnahme 32

spezifisch vorgesehenen Haltevorrichtung 32 auch spezifisch für genau diese Brenn-

stoffzelle 100.

In der Figur 4 ist eine ähnliche Variante, eine Alternative zur Figur 3, dargestellt. Die Heizmittel 42 sind hier flächenförmig ausgebildet. 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 92 integriert. Die Überwachung der Temperatur an dieser Position erlaubt eine noch genauere Kontrolle der Heizvorrichtung zur Einhal-

tung 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 in Form von Prüfvorrichtungen 90 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 Temperaturverlauf als Prüfprotokoll durchfahren kann. Jede Brennstoffzelle 100 kann somit spezifisch einem Prüfprotokoll unterzogen werden, welches zwar zeitgleich, aber hinsichtlich 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

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 Zellenaufnahme 30 zu einer Gasanalysevorrichtung 80 hergestellt werden, sodass neben einer Überwachung von elektrischen Parametern und/oder von Temperaturparametern

auch eine Gasanalytik für die einzelnen Zellenaufnahmen 30 möglich wird.

Die Figur 8 zeigt eine weitere besonders einfache Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 90. Ähnlich der Figuren 3 und 4 ist auch hier wieder die Brennstoffzelle 100 in Prüfposition PP aufgenommen und wird in dieser Prüfposition PP von der Haltevorrichtung 32 gehalten und positioniert. Die Haltevorrichtung

32 ist hier mit einem Haltekörper 39 ausgestattet, welcher in einen oberen Teil-

Teil-Haltekörper 39a und 39b angeordnet ist.

Die Figur 9 bildet die Ausführungsform der Figur 8 dahingehend weiter, dass nun sowohl im oberen Teil-Haltekörper 39a als auch im unteren Teil-Haltekörper 39b Heizmittel 42 angeordnet sind. Diese sind alle mit einer Heatpipe-Funktion ausgestattet und insbesondere hinsichtlich ihrer Funktionalität und Geometrie bei dieser Ausführungsform identisch ausgebildet. Darüber hinaus ist die Anordnung zwischen oberem und unterem Teil-Haltekörper 39a und 39b für die Heizmittel 42 spiegelbildlich ausgebildet, sodass mit Bezug auf die geometrische Erstreckung von oben und unten an den gleichen Orten die Erwärmung der Brennstoffzelle 100 in der Prüfposition PP erfolgen kann. Alternativ dazu ist auch eine Anordnung der Heizmittel 42 in nicht spiegelbildlicher Weise möglich, wie sie beispielsweise in der Figur 3 ebenfalls dargestellt ist. Die Funktionsweise der Ausführungsformen der Prüfvorrichtung 90 gemäß der Figuren 8 und 9 entspricht dabei der Funktionsweise, wie sie bezüglich der Figuren 3 und 4 bereits erläutert worden ist.

Figur 10 zeigt eine weitere Darstellung hinsichtlich des Funktionsprinzips der Heatpipe in den Heizmitteln 42. Bei dieser Ausführungsform kann es sich zum Beispiel um eine Querschnittsdarstellung der Variante der Figur 9 handeln. Der Übersichtlichkeit halber ist hier die Brennstoffzelle 100 nicht dargestellt. Hier bildet sich wieder eine Zellenaufnahme 30 zwischen den beiden Teil-Haltekörpern 39a und 39b aus, in welcher die nicht dargestellte Brennstoffzelle 100 in Prüfposition PP aufgenommen werden könnte. Um nun Wärme entlang der Pfeildarstellungen zur Brennstoffzelle 100 transportieren zu können, sind hier die Heizmittel 42 als rohrförmige Heatpipes ausgebildet. Die Funktionsweise wird nachfolgend näher erläutert.

In der Figur 10 sind elektrische Heizspulen vorgesehen, welche jeweils am rechten

Ende des Heizmittels 42 eine elektrische Wärmequelle 44 darstellen. Je stärker die

nenraum der Zellenaufnahme 30 erfolgen kann.

Figur 11 zeigt nochmals schematisch die einfachste Ausgestaltung einer solchen Prüfvorrichtung 90 von außen. Sie kann ein nicht näher bezeichnetes Prüfvorrichtungsgehäuse aufweisen, in welchem mit einem Schlitz eine Zellenaufnahme 30 zur Aufnahme einer einzigen Brennstoffzelle 100 ausgebildet ist. In Kombination können solche einzelnen Prüfvorrichtungsgehäuse für die einzelnen Prüfvorrichtungen 90 zusammengesetzt werden, um beispielsweise eine Prüfstation gemäß der Figuren 1 oder 2 zur Verfügung zu stellen.

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

39 Haltekörper

39a oberer Teil-Haltekörper 39b unterer Teil-Haltekörper 40 Heizvorrichtung

42 Heizmittel

44 Wärmequelle

50 Anschlussmittel

60 Ventilvorrichtung

70 Gasmischvorrichtung 72a Gasquelle

72b Gasquelle

72c Gasquelle

80 Gasanalysevorrichtung 90 Prüfvorrichtung

92 Temperatursensor

100 Brennstoffzelle PP Prüfposition

ZG Zufuhrgas AG Abfuhrgas

Claims

Patentansprüche

1. Prüfvorrichtung (90) zum Prüfen einer Brennstoffzelle (100), aufweisend eine Zellenaufnahme (30) zur Aufnahme einer Brennstoffzelle (100) mit einer Haltevorrichtung (32) 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 Zufuhrgas (ZG) und Abfuhrgas (AG), wobei weiter die 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, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenaufnahme (30) wenigs-

tens ein Heizmittel (42) mit einer Heatpipe-Funktion aufweist.

2. Prüfvorrichtung (90) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Heizmittel (42) wenigstens abschnittsweise in die Haltevorrichtung (32) integriert ist.

3. Prüfvorrichtung (90) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Heizmittel (42) eine der folgenden Formen aufweist, insbesondere in an eine Form der Brennstoffzelle (100)

angepasster Weise: — Rohrförmig — Flächig

4. Prüfvorrichtung (90) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (32) einen Haltekörper (39) aufweist mit einem oberen Teil-Haltekörper (39a) oberhalb der Brennstoffzelle (100) in Prüfposition (PP) und einem unteren Teil-Haltekörper (39b) unterhalb der Brennstoffzelle (100) in Prüfposition (PP), wobei in dem oberen TeilHaltekörper (39a) und in dem unteren Teil-Haltekörper (39b) jeweils wenigs-

tens ein Heizmittel (42) mit einer Heatpipe-Funktion angeordnet sind.

6. Prüfvorrichtung (90) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmittel (42) im unteren Teil-Haltekörper (39b) relativ zu der Brennstoffzelle (100) in Prüfposition (PP) nicht spiegelbildlich zu den

Heizmitteln (42) im oberen Teil-Haltekörper (39a) angeordnet sind.

7. Prüfvorrichtung (90) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Heizmittel (42) ein thermische Teilisolation aufweist für ein thermisches Isolieren des Heizmittels (42) in einer

Richtung von der Brennstoffzelle (100) in Prüfposition (PP) weg.

8. Prüfvorrichtung (90) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Zellenaufnahme (30), Anschlussmittel (50) für einen elektrischen Anschluss der Brennstoffzelle (100) in der Prüfposition (PP)

angeordnet sind.

9. Prüfvorrichtung (90) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Heizmittel (42) austauschbar

und/oder ergänzbar ausgebildet ist.

10. Prüfvorrichtung (90) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Heizmittel (42) eine elektrische

Wärmequelle (44) aufweist.

11. Prüfvorrichtung (90) 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

12. Prüfvorrichtung (90) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (32) der Zellenaufnahme (30) an

eine Geometrie der aufzunehmenden Brennstoffzelle (100) angepasst ist.

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13. Prüfvorrichtung (90) 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 einen Heizmittel (42), aufweist.

15. Prüfstation (10) zum zumindest teilweise zeitlich parallelen Prüfen von wenigs-

tens zwei Brennstoffzellen (100), gekennzeichnet durch ein Gehäuse (20) in

welchem wenigstens zwei Prüfvorrichtungen (90) mit den Merkmalen eines

der Ansprüche 1 bis 14 angeordnet sind, wobei jede Prüfvorrichtung (90) eine

Zellenaufnahme (30) aufweist und die Heizmittel (42) der Prüfvorrichtungen

(90) eine Heizvorrichtung (40) im Gehäuse (20) für ein aktives Beheizen der

Zellenaufnahmen (30) ausbilden.

16. Prüfstation (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge-

kennzeichnet, dass die Zellenaufnahmen (30) thermisch gegeneinander

und/oder gegen die Umgebung isoliert sind.

17. Prüfstation (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge-

kennzeichnet, 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).

18. Prüfstation (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge-

kennzeichnet, dass die Zellenaufnahme (30) und/oder die Heizvorrichtung

(40) einen oder mehrere Temperatursensoren (92) aufweist.

19. Prüfstation (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge-

kennzeichnet, dass in der Anodengasabfuhr (36) und/oder in der Kathoden-

gasabfuhr (38) eine Gasanalysevorrichtung (80) angeordnet ist.

20. Prüfstation (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge-

kennzeichnet, 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.