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WO2008101466A1 - Prüfstand und prüfverfahren für einen brennstoffzellenstapel - Google Patents

Prüfstand und prüfverfahren für einen brennstoffzellenstapel Download PDF

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WO2008101466A1
WO2008101466A1 PCT/DE2008/000219 DE2008000219W WO2008101466A1 WO 2008101466 A1 WO2008101466 A1 WO 2008101466A1 DE 2008000219 W DE2008000219 W DE 2008000219W WO 2008101466 A1 WO2008101466 A1 WO 2008101466A1
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fuel cell
cell stack
supplied
fuel
insulation
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PCT/DE2008/000219
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French (fr)
Inventor
Jeremy Lawrence
Andreas Reinert
Björn Erik MAI
Daniela Sehm
Original Assignee
Staxera Gmbh
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Publication date
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a test stand for a fuel cell stack. Furthermore, the invention relates to a test method for a fuel cell stack.
  • Fuel cells are used to convert chemical energy into electrical energy.
  • a fuel cell supplies a voltage which is determined in particular by the participating electrochemical potentials.
  • a plurality of fuel cells is electrically connected in series, for which purpose in particular a stack arrangement is preferred.
  • high demands are to be made.
  • the individual gas chambers that is to say the fuel chambers and the oxidant spaces, must be separated from each other in a gas-tight manner.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • Fuel cell stacks in terms of their usability should be able to achieve results with respect to different modes of operation of fuel cell stacks, either as "waste products" in the tests individually. fuel cell stack or through dedicated experimental setups.
  • FIG. 5 Such an oven with a fuel cell stack arranged therein is shown in FIG. 5 in the form of a sectional view.
  • the furnace 110 has a base plate 112 and walls 114 disposed thereon.
  • the fuel cell stack 116 is disposed on the base plate 112 while the walls 114 carry heating elements 118.
  • the media supply to the fuel cell stack 116 passes through the base plate 112, the air supply path 120 and the air discharge path 122 being shown in FIG.
  • a fuel guide may be formed in a comparable manner.
  • the fuel cell stack 116 is supported by the heating elements 118
  • the fuel cell stack 116 is to be impressed in this way, a temperature profile that corresponds as much as possible in later use.
  • the prior art described above proves to be problematic.
  • it is hardly possible to produce a system-related temperature profile over the entire fuel cell stack that is to say a temperature profile which corresponds to that in the case of real use of the fuel cell stack.
  • the fuel cells that face the base plate 112 and the fuel cells that are disposed at the opposite end of the fuel cell stack in many cases have a significantly lower temperature than fuel cells in the middle of the fuel cell stack 116. This is due to the interaction with the base plate 112 and due to heat radiation losses.
  • Other disadvantages are observed in connection with the media supply. This is thermally coupled to the furnace, so that an accurate control of the media temperatures is only possible to a limited extent.
  • the invention has the object of at least partially overcoming the abovementioned problems and disadvantages, in particular by providing a test stand and a test method for a fuel cell stack which will counteract the real system conditions which the fuel cell stack will encounter in its actual use , map as well as possible and avoid local overheating.
  • the invention consists in a test stand for a fuel cell stack, with an insulation device for thermally insulating the fuel cell stack, a media supply device for supplying fuel gas and oxidizing agent to the fuel cell stack and a e- lektronischen control device for controlling and / or regulating and monitoring a test method.
  • an insulation device for thermally insulating the fuel cell stack
  • a media supply device for supplying fuel gas and oxidizing agent to the fuel cell stack
  • a e- lektronischen control device for controlling and / or regulating and monitoring a test method.
  • a device for simulating an electrical load which receives electrical energy generated by the fuel cell stack. This allows the test procedure to be realistic.
  • the simulation of the electrical load is performed by the electronic control device, which also serves to control and / or regulate and monitor the test method, in particular software programs and data acquisition devices are used.
  • the insulation device has a plurality of insulation plates, wherein the media supply device is at least partially integrated in at least one insulation plate.
  • the fuel cell stack is arranged on a base plate designed as an insulation plate, through which the fuel gas, that is to say in particular the hydrogen, is supplied.
  • the air providing the oxidizing agent, namely the oxygen, can then be usefully supplied through a laterally arranged insulating plate.
  • Cathode compartments can thus simply flow the air laterally into the fuel cell stack, and then back out on the other side of the fuel cell stack and There leave by another laterally arranged insulation plate the test bench.
  • the isolation device has six insulation plates which are suitable for receiving the fuel cell stack in a cuboid shape, wherein four insulation plates rest against the fuel cell stack and two insulation plates are spaced from the fuel cell stack. Due to the distance between the insulation plates and the fuel cell stack, this air can be distributed over the entire side surface of the fuel cell stack before it penetrates into the cathode regions of the fuel cells.
  • a plate between a insulation plate having a distance from the fuel cell stack and the volume provided for the fuel cell stack, which plate effects a distribution of the medium to be supplied to the fuel cell stack.
  • the plate can serve as a baffle plate and at the same time as a distributor plate. By different design of this plate, different media streams can be realized and tested.
  • the isolation device can be acted upon by a tensioning device in the direction of a fuel cell stack which can be accommodated by the isolation device.
  • a tensioning device in the direction of a fuel cell stack which can be accommodated by the isolation device.
  • Such external clamping of the fuel cell stack is preferably also used during real operation of the fuel cell stack, so that in this way the real operating conditions are reliably mapped during the test.
  • the media supply device has an adapter plate, via which fuel gas or oxidant can be supplied to a fuel cell stack received by the isolation device, wherein the adapter plate makes it possible to pass the media cocurrently or countercurrently through the fuel cell stack .
  • Such an adapter plate has a plurality of openings or connections, via which a medium can be conducted into the fuel cell stack and can be removed therefrom. These ports can now be at least partially aligned so that they are either covered by the fuel cell stack depending on the positioning of the fuel cell stack on the adapter plate or aligned with corresponding terminals of the fuel cell stack.
  • Fuel cell stack can set in this way, in which direction the media streams flow.
  • the insulation device has microporous insulation plates which at least partially have a metallic sheath.
  • the media supply device has a tempering device for the fuel gases to be supplied and / or the oxidant to be supplied, so that the temperature of the fuel gas and / or of the oxidizing agent can be adjusted and / or regulated.
  • the heat balance can be determined by the temperature of the supplied fuel gas and in particular the supplied air significantly. For example, by controlling the temperature of the supplied air, it can be reliable to influence the heat balance of the fuel cell stack.
  • At least one heat source and / or heat sink is provided.
  • Heat sources and / or heat sinks within the test setup may symbolize further system components of a fuel cell system.
  • an afterburner is provided, to which anode exhaust, in particular, is supplied. In the real case, this therefore represents a heat source which can be simulated by the heat source provided in the test stand.
  • the hydrogen provided to the fuel cell stack is preferably produced in a reformer.
  • a reformer can represent both a heat source and a heat sink, or it can behave thermally neutrally, depending on whether it works exothermic, endothermic or autothermal.
  • the invention further consists in a test method for a fuel cell stack, comprising the steps of: thermally isolating the fuel cell stack, supplying fuel gas and oxidant to the fuel cell stack and adjusting the temperature of the fuel cell stack by selectively influencing the temperature of the supplied fuel gas and / or the supplied oxidant.
  • This is preferably designed such that the temperature of the fuel cell stack by regulating the temperature the supplied fuel gas and / or the supplied oxidizing agent is adjusted.
  • an electrical load is simulated and the operating behavior of the fuel cell stack is detected as a function of the load.
  • Another advantage is that an adapter plate is used for directing media in cocurrent or countercurrent through the fuel cell stack.
  • the temperature of the fuel cell stack is influenced by supplying or removing heat from a heat source or a heat sink.
  • the invention is based on the recognition that insulation elements that tightly surround the SOFC fuel cell stack provide good thermal insulation of the fuel cell stack.
  • An isolation device which is realized by individual insulation plates, can be easily and repeatedly build up and dismantle. By the media heaters are arranged in or on the insulation elements, temperature losses can be due to the short
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view through an insulating device with a fuel cell stack arranged therein;
  • Figure 2 is a schematic representation of a sketchStands
  • FIG. 3 is a perspective view of an adapter plate
  • Figure 4 is a schematic representation of a baffle and distribution plate
  • FIG. 5 shows a sectional view of a furnace with a fuel cell stack arranged therein.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view through an insulation device with a fuel cell stack arranged therein.
  • the isolation device 14 has a plurality of insulation plates 22, 24, 26, 28.
  • the fuel cell stack 12 is tightly packed by the lower insulating plate 26 and the upper insulating plate 28, while the other illustrated insulating plates 22, 24 are spaced from the fuel cell stack 12.
  • Two further isolation plates, which lie below or above the plane of the present sectional view, are likewise arranged without a distance from the fuel cell stack 12.
  • the insulating device 14 is acted upon by a clamping device from all sides with force 35 beat.
  • an air supply 16 is integrated, while from the opposite plate 24, the air discharge 42 is received.
  • the volumes 30, 40 lying between the insulation plates 22, 24 and the fuel cell stack 12 thus serve to distribute the air to be supplied to the fuel cell stack 12 or the bundles of the air emerging from the fuel cell stack.
  • a baffle and distributor plate can be arranged in the volume 30 between the insulation plate 22 and the fuel cell stack 12, which is explained in more detail with reference to FIG.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a test stand.
  • a control device 20 is provided as a further essential component. This communicates with various components of the media supply device 16, 18, so that these components can be controlled or regulated.
  • the control device 20 may represent an electrical load for a fuel cell stack to be arranged in the isolation device 14.
  • an electrical connection 44 is provided between the control device 20 and the insulating device 14 accommodating the fuel cell stack or the interior of the insulating device 14.
  • the air supply 16 comprises a device 46 for controlling the volume flow and a tempering device 36. In this way, the air flow can be influenced by the volume flow while the air temperature is adjusted by the tempering device 36.
  • the fuel gas supply 18 communicates with a fuel gas reservoir 48 in connection.
  • the air supplied to the insulating device 14 flows after passage and partial reaction in the fuel cell stack from the insulation device via the air outlet 42 as cathode exhaust air. In a comparable manner flows through the fuel gas discharge 50, the anode exhaust gas.
  • a Rajkomponen- te 52 is shown in the air supply 16. This can be a further device for influencing the media flow or also a measuring device, for example for determining a flow rate, a temperature, a pressure or another variable which can influence the operating behavior of the fuel cell stack.
  • FIG. 3 shows a perspective view of an adapter plate.
  • the adapter plate 34 which in the present example below the fuel cell stack as part of
  • Isolation device 14 is arranged, has three channels 54, 56, 58.
  • the middle channel 54 communicates with an opening 60, via which fuel gas can be supplied.
  • the channels 56, 58 are in each case connected to an opening 62, 64, via which the anode exhaust gas can flow out after passing through the fuel cell stack.
  • the middle channel 54 further has two terminals 66, 68, while the outer channels 56, 58 each have a terminal 70, 72.
  • Such an arrangement in an adapter plate 34 is for a fuel cell stack with a
  • Fuel inlet and a fuel outlet suitable Namely putting the fuel cell stack on the adapter plate 34, so two of the ports are closed by the fuel cell stack, while the other two connections with the fuel gas and the exhaust passage of the fuel cell stack are in communication.
  • fuel gas flows from the fuel gas port 60 of the adapter plate to the port 68 , from there into the anode chambers of the fuel cell stack, from these to the connection 70 and from there via the fuel gas outlet 62.
  • the terminals 68, 70 are blind, while the terminals 66, 72 have the described functionality.
  • the essential advantage of the adapter plate 34 is that the fuel gas or exhaust gas connections at the isolation device do not have to be changed.
  • the fuel gas guide through the fuel cell stack namely in DC or in countercurrent operation can be varied by simply rotating the fuel cell stack. If a fuel cell stack has more than one fuel gas supply and one fuel gas discharge, then the number of connections and channels can be correspondingly increased, so that in each case a simple interface of the isolation device with regard to the fuel gas supply can be provided.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a baffle and distribution plate.
  • the plate 32 can be arranged in the free volume 30 that is provided between the air inlet-side insulation plate 22 and the fuel cell stack 12 (see FIG. 1).
  • the plate 32 has a central area 74, which acts as a free area.
  • the air flowing centrally into the isolation device 14 is thus not admitted directly to the fuel cell stack 12. leads, but distributed in the sub-volume in front of the plate 32.
  • the air also reaches the edge region of the plate 32, where it can enter via a plurality of through holes 76 in the other part volume in front of the fuel cell stack 12, and then to flow in distributed form the cathode chambers of the fuel cell stack.
  • the configuration of the baffle and distributor plate allows various air flows to and through the fuel cell stack to be realized. In order to test different air flows in one and the same test setup, only one distributor plate has to be replaced by another one with a different structure.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Prüfstand (10) für einen Brennstoffzellenstapel (12), mit einer Isolationseinrichtung (14) zum thermischen Isolieren des Brennstoffzellenstapels, einer Medienzuführeinrichtung (16, 18) zum Zuführen von Brenngas und Oxidationsmittel zu dem Brennstoffzellenstapel und einer elektronischen Steuereinrichtung (20) zum Steuern und/oder Regeln sowie Überwachen eines Prüfverfahrens. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Prüfverfahren für einen Brennstoffzellenstapel.

Description

Stapel
Die Erfindung betrifft einen Prüfstand für einen Brennstoffzellenstapel. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Prüfverfahren für einen Brennstoffzellenstapel .
Brennstoffzellen dienen der Umwandlung von chemischer Ener- gie in elektrische Energie. Dabei liefert eine Brennstoffzelle eine Spannung, die insbesondere durch die beteiligten elektrochemischen Potentiale bestimmt wird. Zur Vervielfachung dieser Spannung wird eine Vielzahl von Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet, wobei zu diesem Zweck insbesondere eine Stapelanordnung bevorzugt wird. An eine solche Stapelanordnung sind hohe Anforderungen zu stellen. Insbesondere müssen die einzelnen Gasräume, das heißt die Brennstoffräume und die Oxidationsmittelräume gasdicht voneinander getrennt werden. Weiterhin müssen Brennstoffzel- lenstapel, insbesondere SOFC-Sytsteme (SOFC = "Solid Oxide Fuel Cell") , eine zufrieden stellende thermische, mechanische und thermomechanische Belastbarkeit aufweisen, da solche Systeme bei Betriebstemperaturen oberhalb von 6000C beständig arbeiten müssen. Während der Fertigung eines Brenn- stoffzellenstapels und im Anschluss daran ist es daher erforderlich, die Funktionstüchtigkeit des Brennstoffzellenstapels sorgfältig zu prüfen, nämlich speziell im Hinblick auf die bereits erwähnten Dichtigkeits- und Stabilitätsanforderungen, aber auch mit Bezug auf verschiedene elektri- sehe Belastungszustände. Neben dieser Prüfung einzelner
Brennstoffzellenstapel im Hinblick auf ihre Einsatzfähigkeit sollen Ergebnisse im Hinblick auf verschiedene Betriebsarten von Brennstoffzellenstapeln erzielbar sein, entweder als "Abfallprodukte" bei den Prüfungen individuel- ler Brennstoffzellenstapel oder durch eigens hierfür vorgesehene experimentelle Aufbauten.
Im Zusammenhang mit all diesen Prüf- und Entwicklungsaufga- ben spielt der Wärmehaushalt des Brennstoffzellenstapels eine entscheidende Rolle. Aus diesem Grund hat man Brennstoffzellenstapel bislang in Öfen getestet, die dazu geeignet sind, eine möglichst definierte thermische Umgebung für den Brennstoffzellenstapel zur Verfügung zu stellen. Ein solcher Ofen mit einem darin angeordneten Brennstoffzellenstapel ist in Figur 5 in Form einer Schnittdarstellung gezeigt. Der Ofen 110 hat eine Grundplatte 112 und daran angeordnete Wandungen 114. Der Brennstoffzellenstapel 116 ist- auf der Grundplatte 112 angeordnet, während die Wandungen 114 Heizelemente 118 tragen. Die Medienzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel 116 erfolgt durch die Grundplatte 112 hindurch, wobei in Figur 5 der Luftzuführpfad 120 und der Luftabführpfad 122 gezeigt sind. Eine Brennstoffführung kann in vergleichbarer Weise ausgebildet sein. Der Brenn- Stoffzellenstapel 116 wird durch die Heizelemente 118 mit
Wärmestrahlung 124 beaufschlagt und auf diese Weise temperiert. Dem Brennstoffzellenstapel 116 soll auf diese Weise ein Temperaturprofil aufgeprägt werden, das dem im späteren Einsatz möglichst weitgehend entspricht.
Im Zusammenhang mit der Einstellung eines solchen Temperaturprofils erweist sich der vorstehend beschriebene Stand der Technik als problematisch. Insbesondere lässt sich kaum ein systemnahes Temperaturprofil über den gesamten Brenn- stoffzellenstapel erzeugen, das heißt ein Temperaturprofil, das demjenigen beim realen Einsatz des Brennstoffzellenstapels entspricht. Die Brennstoffzellen, die der Grundplatte 112 zugewandt sind und die Brennstoffzellen, die am abgewandten Ende des Brennstoffzellenstapels angeordnet sind, haben vielfach eine deutlich geringere Temperatur als Brennstoffzellen in der Mitte des BrennstoffZellenstapels 116. Dies wird durch die Wechselwirkung mit der Grundplatte 112 sowie durch Wärmestrahlungsverluste bedingt. Weitere Nachteile beobachtet man im Zusammenhang mit der Medienzuführung. Diese ist thermisch an den Ofen gekoppelt, so dass eine genaue Regelung der Medientemperaturen nur bedingt möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Probleme und Nachteile zumindest teilweise zu ü- berwinden, wobei insbesondere ein Prüfstand und ein Prüfverfahren für einen Brennstoffzellenstapel zur Verfügung gestellt werden sollen, die die realen Systembedingungen, denen der Brennstoffzellenstapel bei seinem eigentlichen Einsatz begegnen wird, möglichst gut abbilden und lokale Überhitzungen vermeiden.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen An- sprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung besteht in einem Prüfstand für einen Brennstoffzellenstapel, mit einer Isolationseinrichtung zum thermischen Isolieren des Brennstoffzellenstapels, einer Medienzuführeinrichtung zum Zuführen von Brenngas und Oxi- dationsmittel zu dem Brennstoffzellenstapel und einer e- lektronischen Steuereinrichtung zum Steuern und/oder Regeln sowie Überwachen eines Prüfverfahrens . Indem der Brennstoffzellenstapel von einer Isolationseinrichtung aufgenommen wird, lässt sich der Wärmehaushalt des Brennstoffzellenstapels weitgehend von ungewünschten Einflüssen der Um- gebung entkoppeln. Gemäß dem Stand der Technik war eine thermische Kopplung des Brennstoffzellenstapels mit seiner Umgebung erwünscht, nämlich mit dem Ofen, in dem die Prüfung stattgefunden hat. Nunmehr wird der Brennstoffzellen- Stapel während der Prüfung so angeordnet und betrieben, dass der Wärmehaushalt durch den Betrieb des Brennstoffzellenstapels regiert wird.
Es ist bevorzugt, dass eine Einrichtung zum Simulieren ei- ner elektrischen Last vorgesehen ist, die von dem Brennstoffzellenstapel erzeugte elektrische Energie aufnimmt. Hierdurch lässt sich das Prüfverfahren realitätsnah gestalten. Insbesondere wird die Simulation der elektrischen Last durch die elektronische Steuereinrichtung vorgenommen, die auch dem Steuern und/oder Regeln sowie Überwachen des Prüfverfahrens dient, wobei insbesondere Softwareprogramme und Datenerfassungseinrichtungen zum Einsatz kommen.
Die Erfindung ist in vorteilhafter Weise dadurch weiterge- bildet, dass die Isolationseinrichtung mehrere Isolations- platten aufweist, wobei in mindestens eine Isolationsplatte die Medienzuführeinrichtung zumindest teilweise integriert ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Brennstoffzellenstapel auf einer als Isolationsplatte ausgebil- deten Grundplatte angeordnet wird, durch welche das Brenngas, das heißt insbesondere der Wasserstoff, zugeführt wird. Die das Oxidationsmittel, nämlich den Sauerstoff, zur Verfügung stellende Luft kann dann nützlicherweise durch eine seitlich angeordnete Isolationsplatte zugeführt wer- den. Bei einem Brennstoffzellenstapel mit seitlich offenen
Kathodenräumen kann so die Luft einfach seitlich in den Brennstoffzellenstapel einströmen, um dann an der anderen Seite des Brennstoffzellenstapels wieder auszutreten und dort durch eine weitere seitlich angeordnete Isolationsplatte den Prüfstand zu verlassen.
Nützlicherweise ist vorgesehen, dass die Isolationseinrich- tung sechs Isolationsplatten aufweist, die dazu geeignet sind, den Brennstoffzellenstapel quaderförmig aufzunehmen, wobei vier Isolationsplatten an dem Brennstoffzellenstapel anliegen und zwei Isolationsplatten einen Abstand zu dem Brennstoffzellenstapel aufweisen. Durch den Abstand der I- solationsplatten zu dem Brennstoffzellenstapel kann sich durch diese zugeführte Luft über die gesamte Seitenfläche des Brennstoffzellenstapels verteilen, bevor diese in die Kathodenbereiche der Brennstoffzellen eindringt.
Dies wird noch dadurch unterstützt, dass zwischen einer einen Abstand zu dem Brennstoffzellenstapel aufweisenden Isolationsplatte und dem für den Brennstoffzellenstapel vorgesehenen Volumen eine Platte vorgesehen ist, die eine Verteilung eines dem Brennstoffzellenstapel zuzuführenden Me- diums bewirkt. Die Platte kann als Prallplatte und gleichzeitig als Verteilerplatte dienen. Durch verschiedenartige Ausgestaltung dieser Platte lassen sich unterschiedliche Medienströme realisieren und testen.
Es ist bevorzugt, dass die Isolationseinrichtung von einer Spanneinrichtung in die Richtung eines von der Isolationseinrichtung aufnehmbaren Brennstoffzellenstapels mit Kraft beaufschlagbar ist. Eine solche externe Verspannung des Brennstoffzellenstapels kommt vorzugsweise auch beim realen Betrieb des Brennstoffzellenstapels zum Einsatz, so dass hierdurch die realen Betriebsbedingungen während der Prüfung zuverlässig abgebildet werden. Es ist von besonderem Vorteil, dass die Medienzuführein- richtung eine Adapterplatte aufweist, über die einem von der Isolationseinrichtung aufgenommenen Brennstoffzellen- stapel Brenngas oder Oxidationsmittel zuführbar ist, wobei die Adapterplatte ermöglicht, die Medien im Gleichstrom o- der im Gegenstrom durch den Brennstoffzellenstapel zu führen. Eine solche Adapterplatte hat mehrere Öffnungen beziehungsweise Anschlüsse, über die ein Medium in den Brennstoffzellenstapel geleitet werden kann und aus diesem wie- der abgeführt werden kann. Diese Anschlüsse können nun zumindest teilweise so ausgerichtet sein, dass sie in Abhängigkeit der Positionierung des Brennstoffzellenstapels auf der Adapterplatte von dem Brennstoffzellenstapel entweder abgedeckt werden oder mit entsprechenden Anschlüssen des Brennstoffzellenstapels fluchten. Die Positionierung des
Brennstoffzellenstapels kann auf diese Weise festlegen, in welche Richtung die Medienströme fließen.
Es ist bevorzugt, dass die Isolationseinrichtung mikroporö- se Isolationsplatten aufweist, die zumindest teilweise eine metallische Ummantelung aufweisen.
Weiterhin ist von besonderem Vorteil, dass die Medienzu- führeinrichtung eine Temperiereinrichtung für die zuzufüh- renden Brenngase und/oder das zuzuführende Oxidationsmittel aufweist, so dass die Temperatur des Brenngases und/oder des Oxidationsmittels einstellbar und/oder regelbar ist . Da darüber hinaus keine externen Wärmequellen in Form eines Ofens zur Durchführung eines Prüfverfahrens benötigt wer- den, kann der Wärmehaushalt durch die Temperatur des zugeführten Brenngases und insbesondere der zugeführten Luft maßgeblich bestimmt werden. Indem beispielsweise die Temperatur der zugeführten Luft geregelt wird, kann zuverlässig auf den Wärmehaushalt des Brennstoffzellenstapels Einfluss genommen werden.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Wär- mequelle und/oder Wärmesenke vorgesehen ist. Wärmequellen und/oder Wärmesenken innerhalb des Prüfaufbaus können weitere Systemkomponenten eines Brennstoffzellensystems symbolisieren. Beispielsweise ist in vielen Brennstoffzellensys- temen ein Nachbrenner vorgesehen, dem insbesondere Anoden- abgas zugeführt wird. Dieser stellt im realen Fall also eine Wärmequelle dar, die durch die im Prüfstand vorgesehene Wärmequelle simuliert werden kann. Im mobilen Bereich wird der dem Brennstoffzellenstapel zur Verfügung gestellte Wasserstoff beispielsweise bevorzugt in einem Reformer herge- stellt. Ein Reformer kann sowohl eine Wärmequelle als auch eine Wärmesenke darstellen oder aber sich thermisch neutral verhalten, je nachdem, ob er exotherm, endotherm oder au- totherm arbeitet .
Die Erfindung besteht weiterhin in einem Prüfverfahren für einen Brennstoffzellenstapel, mit den Schritten: thermisches Isolieren des Brennstoffzellenstapels, Zuführen von Brenngas und Oxidationsmittel zu dem Brennstoffzellenstapel und Einstellen der Temperatur des Brennstoffzellenstapels durch gezielte Beeinflussung der Temperatur des zugeführten Brenngases und/oder des zugeführten Oxidationsmittels . Auf diese Weise werden die Vorteile und Besonderheiten des erfindungsgemäßen Prüfstands auch im Rahmen eines Prüfverfahrens umgesetzt. Dies gilt auch für die nachfolgend angege- benen besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens .
Dieses ist bevorzugt so ausgebildet, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels durch Regelung der Temperatur des zugeführten Brenngases und/oder des zugeführten Oxida- tionsmittels eingestellt wird.
Weiterhin ist nützlicherweise vorgesehen, dass eine elekt- rische Last simuliert wird und das Betriebsverhalten des Brennstoffzellenstapels in Abhängigkeit der Last erfasst wird.
Von weiterem Vorteil ist, dass eine Adapterplatte zur Füh- rung von Medien im Gleichstrom oder im Gegenstrom durch den Brennstoffzellenstapel verwendet wird.
Es kann weiterhin nützlicherweise vorgesehen sein, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels beeinflusst wird, indem von einer Wärmequelle oder einer Wärmesenke Wärme zugeführt oder abgeführt wird.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Isolationselemente, die den SOFC-Brennstoffzellenstapel eng umschlie- ßen, eine gute thermische Isolierung des Brennstoffzellenstapels zur Verfügung stellen. Eine Isolationseinrichtung, die durch einzelne Isolationsplatten realisiert ist, lässt sich einfach und wiederholt aufbauen und abbauen. Indem die Medienheizer in oder an den Isolationselementen angeordnet sind, lassen sich Temperaturverluste aufgrund der kurzen
Wege außerhalb der Isolationseinrichtung vermeiden. Es kann eine unabhängige Regelung im Hinblick auf Medienvolumen- ströme, Medientemperatur und Leistung des Brennstoffzellenstapels erfolgen.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert. Es zeigen :
Figur 1 eine schematisierte Schnittansicht durch eine I- solationseinrichtung mit darin angeordnetem Brennstoffzellenstapel;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines PrüfStands;
Figur 3 eine perspektivische Darstellung einer Adapter- platte;
Figur 4 eine schematische Darstellung einer Prall- und Verteilplatte und
Figur 5 eine Schnittansicht eines Ofens mit darin angeordnetem Brennstoffzellenstapel .
Bei der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Kompo- nenten.
Figur 1 zeigt eine schematisierte Schnittansicht durch eine Isolationseinrichtung mit darin angeordnetem Brennstoffzellenstapel. Die Isolationseinrichtung 14 weist mehrere Iso- lationsplatten 22, 24, 26, 28 auf. Der Brennstoffzellenstapel 12 wird von der unteren Isolationsplatte 26 und von der oberen Isolationsplatte 28 dicht gepackt, während die weiteren dargestellten Isolationsplatten 22, 24 einen Abstand zu dem Brennstoffzellenstapel 12 aufweisen. Zwei weitere Isolationsplatten, die unterhalb beziehungsweise oberhalb der Zeichenebene der vorliegenden Schnittansicht liegen, sind ebenfalls ohne Abstand zu dem Brennstoffzellenstapel 12 angeordnet . Die Isolationseinrichtung 14 wird durch eine Spanneinrichtung von allen Seiten mit Kraft 35 beauf- schlagt. In eine der Isolationsplatten 22, die einen Abstand von dem Brennstoffzellenstapel 12 aufweist, ist eine LuftZuführung 16 integriert, während von der gegenüberliegenden Platte 24 die Luftabführung 42 aufgenommen wird. Die zwischen den Isolationsplatten 22, 24 und dem Brennstoff- zellenstapel 12 liegenden Volumina 30, 40 dienen somit der Verteilung der dem Brennstoffzellenstapel 12 zuzuführenden Luft beziehungsweise den Bündeln der aus dem Brennstoffzellenstapel austretenden Luft. Um den Lufteintritt in den Brennstoffzellenstapel 12 zu beeinflussen kann in dem Volumen 30 zwischen der Isolationsplatte 22 und dem Brennstoff- zellenstapel 12 eine Prall- und Verteilerplatte angeordnet sein, die mit Bezug auf Figur 4 näher erläutert wird.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Prüf- stands . Neben der Isolationseinrichtung 14 ist als weitere wesentliche Komponente eine Steuereinrichtung 20 vorgesehen. Diese steht mit verschiedenen Komponenten der Medien- zuführeinrichtung 16, 18 in Verbindung, so dass diese Kom- ponenten gesteuert beziehungsweise geregelt werden können. Weiterhin kann die Steuereinrichtung 20 eine elektrische Last für einen in der Isolationseinrichtung 14 anzuordnenden Brennstoffzellenstapel darstellen. Zu diesem Zweck ist eine elektrische Verbindung 44 zwischen der Steuereinrich- tung 20 und der den Brennstoffzellenstapel aufnehmenden I- solationseinrichtung 14 beziehungsweise dem Inneren der I- solationseinrichtung 14 vorgesehen. Die Luftzuführung 16 umfasst eine Vorrichtung 46 zur Volumenstromreglung und eine Temperiereinrichtung 36. Auf diese Weise kann der Luft- ström über den Volumenstrom beeinflusst werden, während die Lufttemperatur durch die Temperiereinrichtung 36 eingestellt wird. Die BrenngasZuführung 18 steht mit einem Brenngasreservoir 48 in Verbindung. Sie umfasst ebenfalls eine Temperiereinrichtung 38 sowie eine Einrichtung zum Be- einflussen des BrenngasStroms, beispielsweise ein Proportionalventil 49. Die der Isolationseinrichtung 14 zugeführte Luft strömt nach Durchtritt und teilweiser Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel aus der Isolationseinrichtung über die Luftabführung 42 als Kathodenabluft aus. In vergleichbarer Weise strömt über die Brenngasabführung 50 das Anodenabgas aus. Stellvertretend für weitere Komponenten, die sowohl in der Luftzuführung 16 als auch in der Brenngaszuführung 18 vorgesehen sein können, ist eine Zusatzkomponen- te 52 in der Luftzuführung 16 dargestellt. Dabei kann es sich um eine weitere Einrichtung zur Beeinflussung des Medienstroms oder auch um eine Messeinrichtung handeln, beispielsweise zur Bestimmung einer Durchflussrate, einer Temperatur, eines Druckes oder einer sonstigen Größe, die das Betriebsverhalten des Brennstoffzellenstapels beeinflussen kann.
Figur 3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Adapterplatte. Die Adapterplatte 34, die im vorliegenden Bei- spiel unterhalb des Brennstoffzellenstapels als Teil der
Isolationseinrichtung 14 angeordnet wird, weist drei Kanäle 54, 56, 58 auf. Der mittlere Kanal 54 steht mit einer Öffnung 60 in Verbindung, über die Brenngas zugeführt werden kann. Die Kanäle 56, 58 stehen jeweils mit einer Öffnung 62, 64 in Verbindung, über die das Anodenabgas nach Durchtritt durch den Brennstoffzellenstapel abströmen kann. Der mittlere Kanal 54 hat weiterhin zwei Anschlüsse 66, 68, während die äußeren Kanäle 56, 58 jeweils einen Anschluss 70, 72 aufweisen. Eine solche Anordnung in einer Adapter- platte 34 ist für einen Brennstoffzellenstapel mit einem
Brennstoffeinlass und einem Brennstoffauslass geeignet. Setzt man den Brennstoffzellenstapel nämlich auf die Adapterplatte 34 auf, so werden zwei der Anschlüsse von dem Brennstoffzellenstapel verschlossen, während die anderen beiden Anschlüsse mit dem Brenngas- beziehungsweise dem Abgaskanal des Brennstoffzellenstapels in Verbindung stehen. Wird der BrennstoffZellenstapel beispielsweise so auf die Adapterplatte 34 aufgesetzt, dass die Anschlüsse 66, 72 verschlossen sind, während die Anschlüsse 68, 70 mit dem Brenngaskanal beziehungsweise dem Abgaskanal des Brennstoffzellenstapels verbunden sind, so strömt Brenngas von dem Brenngasanschluss 60 der Adapterplatte zu dem Anschluss 68, von dort aus in die Anodenräume des Brennstoffzellen- stapeis, von diesen zum Anschluss 70 und von dort über den Brenngasauslass 62 aus. Wird der Brennstoffzellenstapel um 180° gedreht, so sind die Anschlüsse 68, 70 blind, während die Anschlüsse 66, 72 die beschriebene Funktionalität aufweisen. Der wesentliche Vorteil der Adapterplatte 34 be- steht darin, dass die Brenngas- beziehungsweise Abgasan- schlüsse an der Isolationseinrichtung nicht geändert werden müssen. Die Brenngasführung durch den Brennstoffzellenstapel , nämlich im Gleichstrom oder im Gegenstrombetrieb kann durch einfaches Drehen des Brennstoffzellenstapels variiert werden. Hat ein Brennstoffzellenstapel mehr als eine Brenngaszuführung und eine Brenngasabführung, so kann die Anzahl der Anschlüsse und Kanäle entsprechend vergrößert werden, so dass in jedem Fall eine einfache Schnittstelle der Isolationseinrichtung im Hinblick auf die Brenngasversorgung zur Verfügung gestellt werden kann.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Prall- und Verteilplatte. Die Platte 32 kann in dem freien Volumen 30 angeordnet werden, dass zwischen der lufteingangsseiti- gen Isolationsplatte 22 und dem Brennstoffzellenstapel 12 vorgesehen ist (siehe Figur 1) . Die Platte 32 weist einen zentralen Bereich 74 auf, der als Freibereich fungiert. Die in die Isolationseinrichtung 14 zentral einströmende Luft wird somit nicht direkt dem Brennstoffzellenstapel 12 zuge- führt, sondern in dem Teilvolumen vor der Platte 32 verteilt. Damit gelangt die Luft auch in den Randbereich der Platte 32, wo sie über eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 76 in das andere Teilvolumen vor dem Brennstoffzellen- Stapel 12 eintreten kann, um dann in verteilter Form den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels zuzuströmen. Im zentralen Bereich 74 der Platte 32 kann diese eine verschließbare Durchgangsöffnung 78 sowie Befestigungsmittel 80 aufweisen. Über die Konfiguration der Prall- und Vertei- lerplatte lassen sich verschiedene Luftströmungen zu dem und durch den Brennstoffzellenstapel realisieren. Um bei ein und demselben Testaufbau verschiedene Luftströmungen zu testen, muss lediglich eine Verteilerplatte durch eine andere mit unterschiedlichem Aufbau ausgetauscht werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste :
10 Prüfstand
12 Brennstoffzellenstapel 14 Isolationseinrichtung
16 Medienzuführeinrichtung
18 Medienzuführeinrichtung
20 Steuereinrichtung
22 Isolationsplatte 24' Isolationsplatte
26 Isolationsplatte
28 Isolationsplatte
30 Volumen
32 Adapterplatte, Isolationsplatte 34 Adapterplatte
35 Kraft
36 Temperiereinrichtung 38 Temperiereinrichtung 40 Volumen 44 Verbindung
46 Vorrichtung zur Volumenstromregelung
48 Brennstoffreservoir,
49 Proportionalventil
50 Brenngasabführung 52 Zusatzkomponente
54 mittlerer Kanal
56 äußerer Kanal
58 äußerer Kanal
60 Öffnung, Brenngasanschluss 62 Öffnung, Brenngasauslass
64 Öffnung
66 Anschluss
68 Anschluss
70 Anschluss 72 Anschluss
74 zentraler Bereich
76 Durchgangsöffnung
78 Durchgangsöffnung
80 Befestigungsmittel
110 Ofen
112 Grundplatte
114 Wandungen
116 Brennstoffzellenstapel
118 Heizelemente
120 Luftzuführpfad
122 Luftabführpfad
124 Wärmestrahlung

Claims

ANSPRUCHE
1. Prüfstand (10) für einen Brennstoffzellenstapel (12), mit
einer Isolationseinrichtung (14) zum thermischen Isolieren des Brennstoffzellenstapels,
einer Medienzuführeinrichtung (16, 18) zum Zuführen von Brenngas und Oxidationsmittel zu dem Brennstoffzellenstapel und
- einer elektronischen Steuereinrichtung (20) zum Steuern und/oder Regeln sowie Überwachen eines Prüfverfahrens .
2. Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum Simulieren einer elektrischen
Last vorgesehen ist, die von dem Brennstoffzellenstapel erzeugte elektrische Energie aufnimmt.
3. Prüfstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- net, dass die Isolationseinrichtung (14) mehrere Isolationsplatten (22, 24, 26, 28) aufweist, wobei in mindestens eine Isolationsplatte (22, 26) die Medienzuführeinrichtung (16, 18) zumindest teilweise integriert ist.
4. Prüfstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet/ dass die Isolationseinrichtung sechs Isolationsplatten (22, 24, 26, 28) aufweist, die dazu geeignet sind, den Brennstoffzellenstapel (12) quaderförmig aufzunehmen, wobei vier Isolationsplatten (26, 28) an dem Brennstoffzellenstapel (12) anliegen und zwei Isolationsplatten (22, 24) einen Abstand zu dem Brennstoffzellenstapel aufweisen.
5. Prüfstand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer einen Abstand zu dem Brennstoffzellenstapel aufweisenden Isolationsplatte (22) und dem für den Brennstoffzellenstapel (12) vorgesehenen Volumen (30) eine Platte (32) vorgesehen ist, die eine Verteilung eines dem Brennstoffzellenstapel zuzuführenden Mediums bewirkt .
6. Prüfstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationseinrichtung (14) von einer Spanneinrichtung in die Richtung eines von der Isolationseinrichtung aufnehmbaren Brennstoffzellenstapels mit Kraft (35) beaufschlagbar ist.
7. Prüfstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienzuführeinrichtung (18) eine Adapterplatte (34) aufweist, über die einem von der Isolationseinrichtung (14) aufgenommenen Brennstoffzellenstapel (12) Brenngas oder Oxidationsmittel zuführbar ist, wobei die Adapterplatte ermöglicht, die Medien im Gleichstrom oder im Gegenstrom durch den Brennstoffzellenstapel zu führen.
8. Prüfstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationseinrichtung (14) mikroporöse Isolationsplatten aufweist, die zumindest teilweise eine metallische Ummantelung aufweisen.
9. Prüfstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienzuführeinrichtung (16, 18) eine Temperiereinrichtung (36, 38) für die zuzuführenden Brenngase und/oder das zuzuführende Oxidationsmittel aufweist, so dass die Temperatur des Brenngases und/oder des Oxidationsmittels einstellbar und/oder regelbar ist.
10. Prüfstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass mindesten eine Wärmequelle und/oder Wärmesenke vorgesehen ist.
11. Prüfverfahren für einen BrennstoffZellenstapel (12), mit den Schritten
thermisches Isolieren des Brennstoffzellenstapels,
Zuführen von Brenngas und Oxidationsmittel zu dem Brennstoffzellenstapel und
Einstellen der Temperatur des Brennstoffzellenstapels durch gezielte Beeinflussung der Temperatur des zugeführten Brenngases und/oder des zugeführten Oxidationsmittels .
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet/ dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels (12) durch Regelung der Temperatur des zugeführten Brenngases und/oder des zugeführten Oxidationsmittels eingestellt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Last simuliert wird und das Betriebsverhalten des Brennstoffzellenstapels (12) in Abhängigkeit der Last erfasst wird.
14. Verfahren nach, einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Adapterplatte (34) zur Führung von Medien im Gleichstrom oder im Gegenstrom durch den Brennstoffzellenstapel (12) verwendet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Brennstoffzellen- stapels (12) beeinflusst wird, indem von einer Wärmequelle oder einer Wärmesenke Wärme zugeführt oder abgeführt wird.
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