DE102016221485B3 - Vorrichtung und Verfahren zur Charakterisierung einer Komponente einer Brennstoffzelle - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Charakterisierung einer Komponente einer Brennstoffzelle Download PDF

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie umfasst eine Vorrichtung 100 und ein Verfahren zur Charakterisierung einer Komponente 200 einer Brennstoffzelle mit einer Vielzahl an benachbart zueinander angeordneten Sensoren 110. Die Sensoren 110 sind eingerichtet, während einer Messung die Komponente 200 zu kontaktieren. In zumindest einigen Sensoren 110 der Vielzahl an Sensoren 110 ist eine Brennstoffzufuhr 112 vorgesehen, wobei der Brennstoff durch die Brennstoffzufuhr 112 zur Komponente 200 gelangt.

Description

  • Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Vorrichtung zur Charakterisierung einer Komponente einer Brennstoffzelle. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie ein Verfahren zur Charakterisierung einer Komponente einer Brennstoffzelle.
  • Zur Charakterisierung von einer Komponente, wie beispielsweise einer Membran-Elektroden-Einheit (engl. Membrane Elektrode Assembly oder MEA; nachstehend wird vereinfachend der Begriff „MEA” verwendet), einer katalysatorbeschichteten Membran (engl. catalyst coated membranes oder CCM) und/oder einer Gasdiffusionsschicht (engl. gas diffusion layers oder GDL) werden Evaluierungs-Tools eingesetzt. Solche Tools sind ausgelegt, ausschließlich die Komponente zu untersuchen. Ein Einfluss der Flussfeldplatten bzw. Bipolarplatten soll dabei unterbunden werden. Die MEA wird dabei i. d. R. mit sehr hohen Gas- und Kühlmittelflüssen betrieben, um einen nahezu verlustfreien Betrieb zu gewährleisten. Die Druckschriften US 2004/0095127 A1 , US 2004/0224204 A1 , US 2011/0027629 A1 gehören ferner zum Stand der Technik. Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, eine Komponente einer Brennstoffzelle kostengünstig, schnell und/oder zuverlässig zu charakterisieren, wobei zweckmäßig Brennstoffemissionen vermieden werden können. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
  • Die hier offenbarte Technologie umfasst eine Vorrichtung zur Charakterisierung einer Komponente einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems.
  • Das Brennstoffzellensystem kann beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht sein, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert.
  • Eine Brennstoffzelle, in der die hier zu charakterisierende Komponente eingesetzt wird, umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind.
  • Die hier offenbarte Vorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, eine Komponente zu charakterisieren, die mindestens einen ionenselektiven Separator umfasst. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®. Die hier offenbarte Vorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein,
    • – einen ionenselektiven Separator;
    • – eine Membran-Elektroden-Einheit;
    • – eine mit einem Katalysator beschichtete Membran; und/oder
    • – eine Gasdiffusionsschicht
    zu charakterisieren.
  • Charakterisieren bedeutet in diesem Zusammenhang, dass mittels der Vorrichtung die Beschaffenheit der Komponente bewertet werden kann. Beispielsweise kann überprüft werden, ob die tatsächliche Beschaffenheit der Komponente einer vorgegebenen Beschaffenheit entspricht. Die Beschaffenheit der Komponente kann beispielsweise durch eine oder mehrere der folgenden Größen beschrieben werden: Strom, Spannung, elektrischer Widerstände, ionische Widerstände (Membranwiderstand, Ionomer-Widerstände), Ladungsdurchtrittswiderstände, Stofftransportwiderstände, Diffusionswiderstände, Massenaktivitäten (MA), elektrochemisch aktive Oberfläche (ECSA), elektrochemische Doppelschichtkapazität, Diffusionskapazität, Grenzstromdichte, Diffusionsrate, Wasserstoffdurchtrittsstromdichte und/oder Anpresskraft.
  • Besonders bevorzugt kann die Vorrichtung eingerichtet sein, durch die Sensoren mindestens einer der folgenden Größen oder für diese Größen repräsentative Werte zu erfassen:
    • – durch die elektrochemische Reaktion von Brenngas und Oxidationsmittel erzeugter Strom;
    • – durch ein äußeres Potential erzeugter Strom;
    • – die Temperatur an jedem Sensor bzw. die Temperaturverteilung über die aktive Fläche der Komponente; und/oder
    • – die Impedanz;
  • Ein für eine solche Größe repräsentativer Werte ist beispielsweise eine elektrische Größe, die der Sensor aufgenommen hat, und die direkt mit der Temperatur, Impedanz, etc. korreliert.
  • Bevorzugt sind mindestens 50 Sensoren, ferner bevorzugt mindestens 100 Sensoren oder mindestens 200 Sensoren oder mindestens 300 Sensoren vorgesehen. Letztendlich hängt die Anzahl an Sensoren von der Größe der aktiven Fläche der Komponente ab. Bevorzugt ist jeder Sensor ausgebildet eine Fläche von maximal 10 cm2, bevorzugt von maximal 1 cm2 oder maximal 0,1 cm2 zu erfassen. Die Brennstoffaustrittsöffnung können mit der Anzahl an Sensoren bzw. der Größe der aktiven Flächen dergestalt variieren, dass eine Verringerung der Anzahl an Sensoren bzw. eine Vergrößerung der Größe der aktiven Flächen einher geht mit einer Vergrößerung der Brennstoffaustrittsöffnung.
  • Die einzelnen Sensoren der Vielzahl an Sensoren sind hier bevorzugt unmittelbar benachbart zueinander angeordnet. Das bedeutet, dass zwischen den einzelnen Sensoren ein geringer Abstand oder gar kein Abstand vorgesehen ist. Bevorzugt beträgt der Abstand zwischen zwei benachbarten Sensoren jeweils weniger als 5 mm oder weniger als 3 mm oder weniger als 1 mm.
  • Bevorzugt weisen die einzelnen Sensoren eine im Wesentlichen rechteckförmige bzw. quadratische Grundform auf, mit der sie direkt oder indirekt die Komponente kontaktieren können. „Im Wesentlichen” bedeutet in diesem Zusammenhang, dass unbedeutende Abweichungen, wie beispielsweise etwaige Abweichung oder Rundungen bzw. Phasen an aufeinandertreffenden Kanten, unbeachtlich sind.
  • Die Vielzahl an Sensoren kann insbesondere eingerichtet sein, die Komponente über ihre gesamte aktive Fläche im Wesentlichen gleichmäßig mit Brennstoff zu versorgen. Der Begriff „im Wesentlichen” umfasst in diesem Zusammenhang, dass es lediglich zu vernachlässigbar geringen Abweichungen in der Brennstoffversorgung der aktiven Fläche kommt. Mithin sind die Abweichungen vernachlässigbar, wenn sie sich auf die Messungen bzw. die Charakterisierung nicht oder nur vernachlässigbar auswirken.
  • Die Sensoren können eingerichtet sein, während der Messung von mindestens einer Größe, die zur Charakterisierung der Komponente herangezogen wird, die Komponente direkt oder indirekt zu kontaktieren. Beispielsweise kann hierzu die Komponente durch ein entsprechendes Haltemittel positioniert werden und die Vielzahl an Sensoren kann gegen die Komponente gepresst werden. Bevorzugt sind keine Zwischenschichten vorgesehen. Es ist auch denkbar, dass zwischen dem Sensor und der Komponente eine Zwischenschicht vorgesehen ist, sofern dies die Messung nicht behindern würde.
  • Gemäß der hier offenbarten Technologie können zumindest einige der Sensoren eine Brennstoffzufuhr umfassen. Die Brennstoffzufuhr kann derart angeordnet und ausgebildet sein, dass durch die Brennstoffzufuhr Brennstoff zur Komponente gelangen kann. Beispielsweise kann hierzu in den Sensoren mindestens eine Brennstoffaustrittsöffnung (z. B. mindestens ein Loch) vorgesehen sein. Die Brennstoffaustrittsöffnung befindet sich in der Sensoroberfläche des jeweiligen Sensors, die die Komponente direkt oder indirekt kontaktiert, bevorzugt beabstandet vom Rand der Sensoroberfäche. Die Brennstoffaustrittsöffnung bzw. Brennstoffzufuhr kann bevorzugt mit einem Brennstoffvorrat fluidverbunden sein, beispielsweise einem Druckbehälter.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung sind zumindest einige der Sensoren als Hall-Sensoren ausgebildet. Hall-Sensoren als solche sind bekannt. Ein Hall-Sensor, auch Hall-Sonde oder Hall-Geber, nutzt den Hall-Effekt zur Messung von Magnetfeldern.
  • Die hier offenbarte Vorrichtung kann ferner mindestens eine Haltevorrichtung für die mindestens eine Komponente umfassen. Die Haltevorrichtung kann beispielsweise als Verspannsystem, insbesondere ein pneumatisches Verspannsystem, ausgebildet sein. Hierzu kann die Vorrichtung beispielsweise Endplatten umfassen. Die Verspanneinheit kann eingerichtet sein, die zwischen den Endplatten angeordneten Schichten bzw. Komponenten zu verspannen.
  • Die Endplatten können im geschlossenen Zustand der Vorrichtung in einem unveränderlichen Abstand zueinander angeordnet sein. Zudem kann eine der Endplatten eine pneumatische Verspanneinheit umfassen.
  • Die hier offenbarte Vorrichtung kann eine Medienversorgung umfassen, die eingerichtet ist, die aktiven Flächen der Komponente mit Brennstoff, Stickstoff und/oder Oxidationsmittel zu versorgen. Bevorzugt kann die Vorrichtung eingerichtet sein, dass sich während der Messung zur Charakterisierung der Komponente an einer aktiven Fläche der Komponente eine Anode eines Anodensubsystems ausbildet, und an einer anderen aktiven Fläche der Komponente eine Kathode eines Anodensubsystems ausbildet. Die Anode wird u. a. mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird u. a. mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Beispielsweise ist die hier offenbarte Brennstoffzufuhr eine Komponente einer Medienversorgung.
  • Die hier offenbarte Vorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, zusammen mit der Komponente einen Anodenraum und einen Kathodenraum einer elektrochemischen Zelle auszubilden. Die hier offenbarte Vorrichtung kann ferner mindestens eine Dichtung umfassen, die im geschlossenen Zustand der Vorrichtung, insbesondere nachdem das pneumatische Verspannsystem die zwischen den Endplatten angeordneten Bauteile und Komponenten verspannt hat, den Anodenraum und/oder den Kathodenraum gegenüber der Umgebung abzudichten. Die Vielzahl an Sensoren sind im Anodenraum angeordnet und/oder bilden den Anodenraum mit aus.
  • Die hier offenbarte Vorrichtung bzw. Medienversorgung kann mindestens eine Gasverteilschicht aufweisen. Insbesondere kann es sich bei der Gasverteilschicht um ein Flussfeld handeln. Beispielsweise können hierzu Kanäle in der Gasverteilschicht angeordnet sein. Solche Kanäle können in jeglicher Gestalt angeordnet sein, z. B. mäanderförmig oder von einem Ende zum anderen Ende einer Platte verlaufend. Die Ausgestaltung eines solchen Flussfeldes ist einem Fachmann bekannt und unterscheidet sich nicht von der Ausbildung von Gasverteilschichten, wie sie in Bipolarplatten oder Gasdiffusionsschichten von Brennstoffzellen vorgesehen sind. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird die Gasverteilschicht von einem porösen Flussfeld ausgebildet. Besonders bevorzugt kann die Gasverteilschicht aus einem goldbeschichteten Titan-Gitter bzw. Titan-Geflecht (engl. Titan-mesh) ausgebildet werden. Ebenso kann die Gasverteilschicht zumindest bereichsweise aus einem Metallschaum hergestellt sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein Flussfeld im hier offenbarten Stromabnehmer vorgesehen sein, das dieselben Aufgaben übernehmen kann wie die Gasverteilschicht.
  • Beispielsweise kann eine Gasverteilschicht eine kathodenseitige Gasverteilschicht sein. Die kathodenseitige Gasverteilschicht kann beispielsweise zwischen einem kathodenseitigen Stromabnehmer und der Komponente angeordnet sein. Die kathodenseitige Gasverteilschicht kann über einen Oxidationsmitteleinlass und einen Oxidationsmittelauslass verfügen.
  • Die Vorrichtung kann ferner eine anodenseitige Gasverteilschicht aufweisen. Die anodenseitige Gasverteilschicht kann einen Brennstoffeinlass und einen Brennstoffauslass aufweisen. Ferner kann die anodenseitige Gasverteilschicht mit der Brennstoffzufuhr der Sensoren fluidverbunden sein. Bevorzugt kann die anodenseitige Gasverteilschicht zwischen dem anodenseitigen Stromabnehmer und den Sensoren angeordnet sein.
  • Die hier offenbarte Vorrichtung umfasst ferner Stromabnehmer (engl. current collectors). Die Stromabnehmer dienen dazu, den durch die elektrochemische Reaktion in der Vorrichtung erzeugten Strom extern bereitzustellen. Stromabnehmer als solche sind ebenfalls von Brennstoffzellensystemen bekannt. Die Stromabnehmer sind mit der sich in der Vorrichtung ausbildenden elektrochemischen Zelle elektrisch verbunden und gegenüber den Endplatten isoliert. Bevorzugt kann mindestens ein Stromabnehmer einen Kühlmittelströmungspfad aufweisen, der Bestandteil eines Kühlkreises ist. Der anodenseitige Stromabnehmer kann Stege und Kanäle aufweisen, die ein Flussfeld ausbilden. Durch die Kanäle kann der Wasserstoff zu den Brennstoffaustrittsöffnungen der Sensoren gelangen und über die Stege kann der elektrische Strom geleitet werden. Auf der von den Sensoren abgewandten Seite des Stromabnehmers können die Kühlmittelkanäle vorgesehen sein.
  • Die hier offenbarte Vorrichtung umfasst zweckmäßig einen kathodenseitigen Stromabnehmer und einen anodenseitigen Stromabnehmer.
  • Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Verfahren zur Charakterisierung einer Komponente, insbesondere der hier offenbarten Komponente des hier offenbarten Brennstoffzellensystems. Das Verfahren umfasst den Schritt: gleichzeitiges Charakterisieren der Vielzahl benachbart zueinander angeordneter Segmente der Komponente mittels der Vielzahl an benachbart zueinander angeordneten Sensoren, wobei gleichzeitig durch zumindest einige Sensoren der Vielzahl an Sensoren Brennstoff der Komponente durch die Brennstoffzufuhr zugeführt wird. Vorteilhaft kann also die gesamte aktive Fläche einer Komponente in eine Vielzahl an Segmenten unterteilt werden.
  • Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach die Sensoren während einer Messung von mindestens einer Größe, die zu Charakterisierung der Komponente herangezogen wird, die Komponente zu kontaktieren.
  • Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach den einzelnen Segmenten der Komponente jeweils gleich viel Brennstoff zugeführt wird, sodass über die gesamte Fläche der Komponente sich eine im Wesentlichen gleichmäßige Brennstoffverteilung einstellt.
  • Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein Tool zur Charakterisierung einer MEA. Zur Charakterisierung kann die MEA in einen Messkopf eingespannt und untersucht werden. Zur Einspannung der MEA kann beispielsweise ein pneumatisches Verspannsystem (bladder compression system) verwendet werden. Der Messkopf kann beispielsweise zwei gold- und/oder nickelbeschichteten Kupferplatten aufweisen. Die Kathode weist bevorzugt ein zweckmäßig poröses Flussfeld auf, das ausgebildet ist, Oxidationsmittel der MEA bereitzustellen. Besonders vorteilhaft ist die Vorrichtung eingerichtet, einen größeren Ausschnitt mit einem großen Messkopf zu charakterisieren. Bevorzugt kann die gesamte MEA in einem Verfahrensschritt charakterisiert werden. Insbesondere kann eine Brennstoffzufuhr, insbesondere mindestens ein Loch oder Brennstoffaustrittsöffnung vorgesehen sein. Durch das mindestens eine Loch strömt der Brennstoff, bevorzugt Wasserstoff.
  • Die Kühlung der MEA kann über Kühlmittelkanäle erfolgen, die in den Stromabnehmer (Anode und/oder Kathode) eingefräst sein können. Die Stromabnehmer bzw. die Kühlmittelkanäle können aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt sein, insbesondere gold- bzw. nickelbeschichtetes Kupfer.
  • Bevorzugt können für das Oxidationsmittel und/oder für den Brennstoff Gasverteilschichten vorgesehen sein, insbesondere poröse Flussfelder. Für verbesserte Kontaktwiderstände bzw. eine verbesserte Strom- und/oder Gasverteilung können Metallschäume oder Streckmetalle eingesetzt werden, insbesondere goldbeschichtete Metallschäume oder Streckmetalle. Auf der Anode kann zusätzlich eine Stromdichte- und Temperaturverteilungsmessplatte eingebaut. Die Messplatte besitzt Löcher in den einzelnen Segmenten, wodurch der Brennstoff zur MEA gelangen kann.
  • Vorteilhaft kann die gesamte MEA in einem Schritt charakterisiert werden. Ferner vorteilhaft kann das gesamte Anodensubsystem der Vorrichtung als abgeschlossenes System ausgebildet sein. Somit kann eine kontinuierliche Stickstoff-Spülung entfallen und es kann kein Wasserstoff in die Umgebung gelangen. Die MEA kann gleichmäßig mit den Reaktanden versorgt werden. Die Löcher in der Sensorplatte ersetzen das Flussfeld und versorgen die MEA mit Wasserstoff.
  • Die Charakterisierung der Komponente kann hier ferner zerstörungsfrei erfolgen.
  • Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht entlang der Linie B-B der 2; und
  • 2 eine schematische Ansicht entlang der Linie A-A der 1.
  • Die 1 zeigt die Vorrichtung 100 zur Bewertung einer Komponente 200. die Komponente 200 ist hier eine MEA 200. Die MEA 200 umfasst einen ionenpermeablen Separator 210, der zumindest bereichsweise umgeben ist von den Elektroden 220. Die MEA 200 ist hier eingefasst von einem Rahmen (= subframe) 230. Eine solche MEA 200 wird typischerweise in Brennstoffzellensystemen eingesetzt. Die MEA 200 bzw. deren Rahmen 230 wird hier an jedem Rand gehalten von zwei Dichtungen 130 der Vorrichtung, die den Anodenraum 144 bzw. den Kathodenraum 142 abdichten.
  • An einer Seite der MEA 200 liegt eine Vielzahl an Sensoren 110 mit ihren Sensoroberflächen 114 (vgl. 2) an. Die Sensoren 110 sind hier gleichmäßig über die aktive Fläche der MEA 200 verteilt angeordnet. Zwischen den unmittelbar benachbart angeordneten Sensoren 110 ist ein hier vergrößert dargestellt Spalt angeordnet. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist dieser Spalt möglichst gering. Sofern die einzelnen Sensoren 110 an ihrem Rand isolierend ausgebildet sind, können die Sensoren 110 auch direkt aneinander anliegen. In jedem dieser Sensoren 110 sind jeweils zwei Löcher bzw. Brennstoffaustrittsöffnungen 112 vorgesehen (vgl. 2), die die Brennstoffzufuhr 112 ausbilden. Die Sensoren 110 sind hier in einer Sensorschicht angeordnet. Die Brennstoffaustrittsöffnungen 112 sind fluidverbunden mit einer anodenseitigen Gasverteilschicht 154, die auf den Sensoren aufliegt. Die anodenseitige Gasverteilschicht 154 umfasst einen Brennstoffeinlass H2 in und einen Brennstoffauslass H2 out auf. Durch den Brennstoffeinlass kann der Brennstoff, hier beispielsweise Wasserstoff, in die anodenseitige Gasverteilschicht 154 einströmen, bevor er über die Brennstoffzufuhr 112 zur MEA 200 gelangt. Ein Teil des Wasserstoffs kann beispielsweise durch den Brennstoffauslass H2 out wieder ausströmen. Nicht dargestellt sind hier die weiteren Komponenten des Anodensubsystems. Eine solche anodenseitige Gasverteilschicht 154 muss aber nicht vorgesehen sein. Anstelle einer solchen anodenseitigen Gasverteilerschicht 154 kann bevorzugt in einer separaten Platte oder in dem anodenseitigen Stromabnehmer 174 ein Flussfeld vorgesehen sein, wobei das Flussfeld in der den Sensoren 110 zugewandten Seite ausgebildet ist, und wobei das Flussfeld mit den Brennstoffaustrittsöffnungen 112 der Sensoren 110 fluidverbunden ist. Das Flussfeld ist dann fluidverbunden mit einem Brennstoffeinlass H2 in und einen Brennstoffauslass H2 out der Vorrichtung.
  • Der hier dargestellten Ausführungsform liegt eine kathodenseitige Gasverteilschicht 152 an der zweiten aktiven Fläche der MEA 200 an. Die kathodenseitige Gasverteilschicht 152 ist fluidverbunden mit einem Kathodeneinlass AIRin und einen Kathodenauslass AIRout. Die MEA 200, die kathodenseitige Gasverteilschicht 152 und der kathodenseitige Stromabnehmer 172 bilden hier zusammen den Kathodenraum 142 aus. Die weiteren Komponenten des Kathodensubsystems sind hier nicht gezeigt.
  • Die hier gezeigte Vorrichtung 100 umfasst ferner einen kathodenseitigen Stromabnehmer 172 sowie einen anodenseitigen Stromabnehmer 174. in dem anodenseitigen Stromabnehmer 174 ist ein Kühlmittelkanal vorgesehen in den auf einer Seite Wasser einströmt und auf der anderen Seite ausströmt. Ebenso kann ein solcher Kühlkanal in dem kathodenseitigen Stromabnehmer 172 vorgesehen sein, der hier jedoch vereinfachend weggelassen wurde.
  • Die Stromabnehmer 172, 174 liegen an den Gasverteilschichten 154, 152 an. Die kathodenseitige Endplatte 182 und die anodenseitige Endplatte 184 sind ausgebildet, die Komponente 200 in der Vorrichtung zu positionieren, beispielsweise in dem alle Komponenten hier verspannt werden..
  • Die 2 zeigt eine Querschnittsansicht entlang des Querschnitts A-A der 1. Die Vielzahl an Sensoren 110 sind hier unmittelbar benachbart zueinander angeordnet. Jeder Sensor 110 weist in seiner Sensoroberfläche 114 zwei Brennstoffaustrittsöffnungen 112 auf. Ebenso könnten aber auch lediglich eine Öffnung oder mehrere Öffnungen vorgesehen sein. Die Öffnungen sind so angeordnet und so dimensioniert, dass sich eine im Wesentlichen gleichmäßige Versorgung der Komponente mit Brennstoff einstellt.
  • Der Stromfluss sämtlicher Medien, wie in den Figuren gezeigt ist, kann auch anders gestaltet sein. Insbesondere können die Medienströme generell im Gleichstrom und/oder im Gegenstrom erfolgen.
  • Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)” teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z. B. der/ein Sensor, die/eine Komponente, die/eine Brennstoffzelle, die/eine Brennstoffzufuhr, der/ein ionenselektiver Separator, die/eine Dichtung, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z. B. der mindestens eine Sensor, die mindestens eine Komponente, die mindestens eine Brennstoffzelle, die mindestens eine Brennstoffzufuhr, der mindestens eine ionenselektiver Separator, die mindestens eine Dichtung, etc.).

Claims (8)

  1. Vorrichtung (100) zur Charakterisierung einer Komponente (200) einer Brennstoffzelle mit einer Vielzahl an benachbart zueinander angeordneten Sensoren (110), wobei die Sensoren (110) eingerichtet sind, während einer Messung die Komponente (200) zu kontaktieren, wobei in zumindest einigen Sensoren (110) der Vielzahl an Sensoren (110) eine Brennstoffzufuhr (112) vorgesehen ist, und wobei Brennstoff durch die Brennstoffzufuhr (112) zur Komponente (200) gelangt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, als Komponente (200) einen ionenselektiven Separator (220) aufzunehmen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensoren (110) Hall-Sensoren (110) sind.
  4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vielzahl an Sensoren (110) eingerichtet sind, die Komponente (200) über ihre gesamte Fläche gleichmäßig mit Brennstoff zu versorgen.
  5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend mindestens eine Dichtung (130), die einen Anodenraum (144) gegenüber der Umgebung abdichtet.
  6. Verfahren zur Charakterisierung einer Komponente (200) einer Brennstoffzelle, umfassend den Schritt: gleichzeitiges Charakterisieren einer Vielzahl benachbart zueinander angeordneter Segmente der Komponente (200) mittels einer Vielzahl an benachbart zueinander angeordneten Sensoren (110), wobei gleichzeitig durch zumindest einige Sensoren (110) der Vielzahl an Sensoren (110) Brennstoff der Komponente (200) zugeführt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Sensoren (110) während einer Messung von mindestens einer Größe, die zur Charakterisierung der Komponente (200) herangezogen wird, die Komponente (200) kontaktieren.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei den einzelnen Segmenten der Komponente (200) jeweils gleich viel Brennstoff zugeführt wird, sodass über die gesamte Fläche der Komponente (200) sich eine gleichmäßige Brennstoffverteilung einstellt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040095127A1 (en) 2002-10-28 2004-05-20 Masahiro Mohri Apparatus for measuring current density of fuel cell
US20040224204A1 (en) 2000-07-19 2004-11-11 Nuvant Systems, Inc. High throughput screening device for combinatorial chemistry
US20110027629A1 (en) 2009-07-29 2011-02-03 Searete Llc, A Limited Liability Corporation Of The State Of Delaware Instrumented fluid-surfaced electrode

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040224204A1 (en) 2000-07-19 2004-11-11 Nuvant Systems, Inc. High throughput screening device for combinatorial chemistry
US20040095127A1 (en) 2002-10-28 2004-05-20 Masahiro Mohri Apparatus for measuring current density of fuel cell
US20110027629A1 (en) 2009-07-29 2011-02-03 Searete Llc, A Limited Liability Corporation Of The State Of Delaware Instrumented fluid-surfaced electrode

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