DE10226331A1 - Fuel cell testing method for determining cell dynamic behavior characteristics, whereby fuel cell output values are measured as the fuel supply is modulated using vibration exciters whose frequency is controlled - Google Patents

Fuel cell testing method for determining cell dynamic behavior characteristics, whereby fuel cell output values are measured as the fuel supply is modulated using vibration exciters whose frequency is controlled

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Abstract

Method for testing fuel cells in order to determine their dynamic behavior, whereby a fuel cell (1) is connected to an electrical load (2) so that its loading current or voltage can be measured or the pressure and temperature of its reaction. At the same time the fuel and air supply lines (4, 4') are set vibrating by vibration exciters (5, 5'). The resultant modulated mass flow is related to changes in the measured reaction parameters. An Independent claim is made for an arrangement for testing fuel cells supplied with either hydrogen and air or methanol and air.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen von Brennstoffzellen und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Anordnung. The invention relates to a method for testing fuel cells and one for Implementation of this procedure appropriate arrangement.

Brennstoffzellen wird im Hinblick auf die Abdeckung des ständig steigenden Bedarfs an Elektroenergie in der Zukunft eine große Bedeutung beigemessen. Bei ihnen handelt es sich um Energiewandler, mittels derer aus chemischer Energie direkt elektrische Energie und Wärmeenergie erzeugt werden kann. Neben einem vergleichsweise hohen Wirkungsgrad liegt der große Vorteil der Brennstoffzellen darin, dass bei der Erzeugung von Elektroenergie mit ihrer Hilfe die Umwelt kaum belastet wird. Daher wird ihre Entwicklung gegenwärtig stark vorangetrieben. Fuel cells is growing in terms of coverage Of great importance for the need for electrical energy in the future. They are energy converters by means of which chemical Energy direct electrical energy and thermal energy can be generated. In addition to a comparatively high degree of efficiency, there is the great advantage of Fuel cells in that in the production of electrical energy with their help the environment is hardly polluted. Therefore, their development is currently going strong promoted.

Die Wirkungsweise von Brennstoffzellen basiert, im Falle der Wasserstoff-Brennstoffzelle, auf der Umkehrung des Prinzips der Wasserelektrolyse. Wasserstoff- Brennstoffzellen werden mit Wasserstoff und Sauerstoff betrieben die im Zuge einer elektrochemischen Umwandlung an einem Elektrodensystem (Anode und Katode) zu Wasser reagieren. Bei dieser Reaktion bewegen sich im Inneren der Zelle positiv geladene Wasserstoffionen (Protonen) zur Katode und die von ihnen abgegebenen Elektronen zur Anode. Werden Anode und Katode über elektrische Verbraucher miteinander verbunden, fließt zwischen ihnen ein elektrischer Strom. Methanol-Brennstoffzellen funktionieren vergleichbar. Hier gelangen Methanol und Luft als Brennstoff zum Einsatz, so dass als Reaktionsprodukt neben Wasser Kohlendioxid entsteht. The mode of operation of fuel cells is based, in the case of Hydrogen fuel cell, on the reverse of the principle of water electrolysis. Hydrogen- Fuel cells are operated with hydrogen and oxygen as part of the process an electrochemical conversion on an electrode system (anode and Cathode) react to water. This reaction moves inside the Cell positively charged hydrogen ions (protons) to and from the cathode emitted electrons to the anode. Become anode and cathode via electrical Connected to consumers, an electrical current flows between them. Methanol fuel cells work in a comparable way. This is where methanol gets and air as fuel, so that as a reaction product in addition to water Carbon dioxide is created.

Das Verhalten der Brennstoffzelle als Spannungsquelle wird dabei wesentlich von ihrer Versorgung mit den Brennstoffen (z. B. Wasserstoff und Sauerstoff), deren Durchsatz in der Zelle und den Reaktionsbedingungen, wie Temperatur und Druck der zugeführten Medien bestimmt. Durch Verschlüsse innerhalb der Zelle oder die Ansammlung flüssiger Massen kann es beispielsweise zu einer Hemmung der Reaktion in der Zelle oder aber durch Leckagen der zwischen Anode und Katode eingeordneten Elektrolytmembran zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades einer Zelle oder eines Stacks aus mehreren Zellen kommen. The behavior of the fuel cell as a voltage source becomes essential their supply of fuels (e.g. hydrogen and oxygen), their throughput in the cell and the reaction conditions, such as temperature and pressure of the supplied media. Through closures within the For example, a cell or the accumulation of liquid masses can become one Inhibition of the reaction in the cell or by leakage between Anode and cathode arranged electrolyte membrane to deterioration the efficiency of a cell or a stack come from several cells.

Hierdurch sowie durch Innenwiderstände oder eine ungenügende Gasdiffusion entstehen beim Betrieb der Zelle unerwünschte Verluste bzw. es kommt in der Folge möglicherweise auch zu einem Totalausfall der Zelle. This, as well as internal resistance or insufficient gas diffusion undesirable losses occur during operation of the cell or it occurs in the May also result in total cell failure.

Die Zelle selbst kann physikalisch prinzipiell durch drei Ströme beschrieben werden. Dies sind der Massestrom der zugeführten Brennstoffe und der abgeführten Reaktionsprodukte, der elektrische Strom und der Wärmestrom. Nach dem Energieerhaltungssatz ist die Summe dieser Ströme gleich Null. Wie bei anderen Bauelementen oder Erzeugern elektrischer Energie ist es wünschenswert Aussagen über das statische und dynamische Verhalten der Brennstoffzellen, insbesondere im Hinblick auf Veränderungen der Verhältnisse zwischen den genannten Strömen sowie den Einfluss von Temperatur und Druck, zu erhalten. Durch die messtechnische Bestimmung statischer und dynamischer Parameter kann eine Brennstoffzelle geprüft und gegebenenfalls ihr Aufbau optimiert werden. Für die Bestimmung dynamischer Parameter, bezüglich der Masseströme und der Wärmeströme sowie der sich aufgrund ihres Fließens bildenden Potentiale, ist ein schnelles Verändern dieser Ströme und Potentiale notwendig. Allerdings ist eine sehr schnelle Veränderung der Masseströme für die Brennstoffzellen innerhalb einiger Millisekunden technisch nur sehr schwer zu realisieren. Daher bereitet die Messung dynamischer Größen in der Praxis gegenwärtig noch Probleme. The cell itself can basically be described by three currents become. These are the mass flow of the supplied fuels and the dissipated reaction products, the electrical current and the heat flow. According to the energy conservation law, the sum of these currents is zero. How it is the case with other components or generators of electrical energy desirable statements about the static and dynamic behavior of the Fuel cells, especially with regard to changes in the situation between the currents mentioned and the influence of temperature and pressure, to obtain. Through the metrological determination of static and dynamic A fuel cell can test parameters and, if necessary, its structure be optimized. For the determination of dynamic parameters regarding the Mass flows and heat flows as well as due to their flow forming potentials is a rapid change in these currents and potentials necessary. However, a very rapid change in mass flows is for the fuel cells are technically very difficult to close within a few milliseconds realize. Therefore, the measurement of dynamic quantities prepares in practice currently still problems.

Zudem gilt es, die dynamischen Zeitkonstanten einer Brennstoffzelle zu beachten, welche je nach ihrer Größe im Bereich von Millisekunden bis einigen Minuten liegen. It is also important to consider the dynamic time constants of a fuel cell note which, depending on their size, ranges from milliseconds to a few Minutes.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem Brennstoffzellen getestet werden können. Dabei soll es das Verfahren insbesondere ermöglichen, auf einfache Weise Aussagen über das dynamische Verhalten der Brennstoffzellen zu gewinnen, auf deren Grundlage Rückschlüsse auf die Zuverlässigkeit der Brennstoffzellen sowie über ihr elektrisches Verhalten unter Belastungsbedingungen bei ihrem Einsatz gezogen werden können. Weiterhin besteht die Aufgabe darin, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Anordnung anzugeben. The object of the invention is to provide a method by means of which Fuel cells can be tested. It is supposed to be the procedure in particular, make it easy to make statements about the dynamic Behavior of the fuel cells, based on which to draw conclusions on the reliability of the fuel cells and their electrical behavior can be pulled under load conditions during their use. Furthermore, the task is to carry out the method indicate appropriate arrangement.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Eine die Aufgabe lösende Anordnung wird durch den ersten vorrichtungsbezogenen Anspruch charakterisiert. Vorteilhafte Aus- bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind durch die jeweiligen Unteransprüche gegeben. The task is accomplished by a process with the features of the main claim solved. An arrangement that solves the problem is given by the first characterized device-related claim. Advantageous training and development of Invention are given by the respective subclaims.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Brennstoffzellen zur Gewinnung von Aussagen über ihr dynamisches Verhalten mittels einer Brennstoffmodulation getestet. Dabei werden ausgangseitig der Brennstoffzelle an einer angeschlossenen Last Strom und/oder Spannungswerte oder an ihren abgehenden Leitungen die Temperatur und/oder der Druck abgeführter Reaktionsprodukte des elektrochemischen Prozesses gemessen und die Messwerte in Beziehung zu einer Schwingung veränderlicher Frequenz gesetzt, welche den die Brennstoffzelle versorgenden Masseströmen überlagert wird. Die die Brennstoffzelle mit Brennstoffen, vorzugsweise in Form von Wasserstoff und Luft bzw. Methanol und Luft, versorgenden Masseströme werden somit durch die Schwingung moduliert. Anhand der über der Modulationsfrequenz aufgetragenen Messwerte können Rückschlüsse über das dynamische Verhalten der Zelle, insbesondere über eventuelle Verschlüsse innerhalb der Zelle oder Stauungen des Durchflusses in Form unerwünschter Ansammlung flüssiger Massen gezogen werden. Auch Aussagen zum Zustand der Membran zwischen Anode und Katode lassen sich bei einer Gegenüberstellung mit Ergebnissen empirischer Untersuchungen gewinnen. Für die Modulation werden Schwingungen vergleichsweise kleiner Amplitude eingesetzt, so dass sich der Massestrom der Brennstoffe im Hinblick auf die Durchflussmenge nur innerhalb eines schmalen Bandes verändert. Vorzugsweise wird die Amplitude so gewählt, dass durch die den Massestrom modulierende Schwingung der Durchfluss an Brennstoffen bezogen auf einen Gleichwert um ±10% oder weniger variiert. Dabei folgt die Änderung des Durchflusses mit einer gewissen Trägheit der Frequenz der modulierenden Schwingung. According to the method according to the invention, the fuel cells are used for Obtaining statements about their dynamic behavior using a Fuel modulation tested. The output side of the fuel cell current and / or voltage values at a connected load or at their outgoing lines the temperature and / or the pressure discharged Reaction products of the electrochemical process measured and the measured values in Relation to a vibration of variable frequency, which the Fuel cell supplying mass flows is superimposed. The the Fuel cell with fuels, preferably in the form of hydrogen and air or Methanol and air, supplying mass flows are thus through the Vibration modulated. Using the plotted against the modulation frequency Measured values can draw conclusions about the dynamic behavior of the cell, especially about possible closures within the cell or congestion of the Flow in the form of undesirable accumulation of liquid masses become. Also statements about the condition of the membrane between anode and cathode can be compared empirically with results Win investigations. Vibrations are compared for the modulation small amplitude used, so that the mass flow of fuels in the With regard to the flow rate only within a narrow band changed. The amplitude is preferably selected such that the Mass flow modulating vibration related to fuel flow to an equivalent value by ± 10% or less. The change follows of the flow with a certain inertia of the frequency of the modulating Vibration.

Im Sinne der Erfindung kann die Modulation der Masseströme sowohl anodenseitig als auch katodenseitig oder aber gleichzeitig an Anode und Katode erfolgen. Der für die zur Modulation dienenden Schwingung zu wählende Frequenzbereich ist dabei grundsätzlich abhängig davon, welche Aussagen bei der Untersuchung gewonnen werden sollen. Ein besonders umfassendes Bild ergibt sich allerdings, wenn die Frequenz in einem breiten Spektrum variiert wird. Als praxisgerecht hat es sich erwiesen, die Messungen, bezogen auf die zur Modulation der Masseströme benutzte Schwingung, in einem Frequenzbereich zwischen vorzugsweise 10-3 und 106 Hz, also im Frequenzband zwischen dem Millihertz- und dem Megahertzbereich durchzuführen. Das Verfahren ist dabei besonders vorteilhaft ausgestaltet, wenn die Frequenz der die Masseströme modulierenden Schwingung zeitlich stetig verändert wird. Die Frequenz der Schwingung wird hierbei in dem zuvor genannten Frequenzbereich oder einem anderen vorgegebenen Frequenzbereich durchgestimmt. For the purposes of the invention, the mass currents can be modulated both on the anode side and on the cathode side or at the same time on the anode and cathode. The frequency range to be selected for the oscillation used for modulation is fundamentally dependent on which statements are to be obtained during the examination. A particularly comprehensive picture emerges, however, if the frequency is varied over a wide spectrum. It has proven to be practical to carry out the measurements, based on the vibration used to modulate the mass flows, in a frequency range between preferably 10 -3 and 10 6 Hz, that is to say in the frequency band between the millihertz and the megahertz range. The method is particularly advantageously designed if the frequency of the oscillation modulating the mass flows is continuously changed over time. The frequency of the vibration is tuned in the previously mentioned frequency range or another predetermined frequency range.

Zusätzliche Aussagen können durch die Variation anderer Parameter der zur Modulation verwendeten Schwingung erhalten werden. Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es daher vorgesehen, neben der Frequenz der Schwingung auch deren Amplitude zu variieren. Auch auf der Grundlage einer zusätzlichen Variation der Signalform, der Schwingung und der dabei jeweils gemessenen Strom- und/oder Spannungswerte lassen sich weitere Aussagen zum dynamischen Verhalten der Brennstoffzellen gewinnen. Additional statements can be made by varying other parameters of the Vibration used can be obtained. According to one It is therefore an advantageous development of the method according to the invention provided, in addition to the frequency of the vibration and its amplitude vary. Also based on an additional variation in the waveform, the vibration and the current and / or measured in each case Stress values can be used to make further statements about the dynamic behavior of the Win fuel cells.

Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden mehrere Messzyklen durchgeführt, wobei bei den aufeinanderfolgenden Messzyklen zusätzlich zu den Parametern oder der Signalform der Schwingung mindestens ein weiterer Parameter variiert wird. Innerhalb eine Messzyklus, bei der die Frequenz der Schwingung innerhalb des vorgegebenen Bereichs durchgestimmt wird, bleibt der jeweils weitere betrachtete Parameter konstant. Er wird erst nach Abschluss des Messzyklus zur Durchführung eines weiteren Zyklus, also des nochmaligen Durchlaufens des gewählten Frequenzbereichs, verändert. Bei einer Betrachtung der sich bei der Modulation der Brennstoffmasseströme an einer elektrischen Last am Ausgang der Zelle einstellenden Strom- und/oder Spannungswerte ist die an der Zelle gemessene Temperatur des Kühlmediums ein solcher aussagekräftiger Parameter. Ebenso kann aber auch Druck in den Brennstoffleitungen der Zelle als Parameter zur Veränderung der Messbedingungen für die Beschreibung ihres dynamischen Verhaltens herangezogen werden. According to an advantageous development of the method, several Measurement cycles carried out, with the successive measurement cycles at least in addition to the parameters or the waveform of the vibration another parameter is varied. Within a measuring cycle in which the Frequency of the vibration tuned within the specified range the other parameter under consideration remains constant. It will only after Completion of the measuring cycle to carry out another cycle, i.e. the passing through the selected frequency range again. At a Consideration of the modulation of the fuel mass flows on one electrical load at the output of the cell adjusting current and / or Voltage values is the temperature of the cooling medium measured at the cell such meaningful parameters. However, pressure in the Fuel lines of the cell as parameters for changing the Measurement conditions used to describe their dynamic behavior become.

Die zur Durchführung des Verfahrens zum Testen von Brennstoffzellen für die Gewinnung von Aussagen über ihr dynamisches Verhalten geeignete Anordnung umfasst mindestens eine ausgangsseitig der Brennstoffzelle an diese angeschlossene elektrische Last, Messmittel zur Messung des durch diese Last fließenden Stroms bzw. der an ihr abfallenden Spannung oder zur Messung des Drucks und/oder der Temperatur abgeführter Reaktionsprodukte, einen an oder in einer der Brennstoffzufuhr für die Brennstoffzelle dienenden Leitung angeordneten Schwingungserzeuger, sowie Mittel zur Bestimmung der Frequenz der jeweils mittels des Schwingungserzeugers in den Brennstoffstrom eingetragenen Schwingung veränderlicher Frequenz. Mit dieser Anordnung kann das Verfahren grundsätzlich durchgeführt werden, indem die Veränderung der Schwingungsfrequenz durch einen Wechsel des jeweiligen Schwingungserzeugers realisiert wird. Vorzugsweise wird jedoch ein Schwingungserzeuger eingesetzt, welcher in einem vorgebbaren Frequenzbereich durchstimmbar ist. Entsprechend einer möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung wird als Schwingungserzeuger ein elektrodynamischer Wandler verwendet. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines piezoelektrischen Wandlers. Wie bereits ausgeführt, ist der Schwingungserzeuger an oder in der Leitung angeordnet, in welcher der sich durch die Leitung bewegende Massestrom moduliert werden soll. Bei einem realisierten Versuchsaufbau wurde der Wandler innerhalb der Leitung angeordnet und mit diesem unmittelbar auf den Massestrom eingewirkt. Gegenwärtig scheint dieser Ausführungsform der Vorzug zu geben zu sein. Allerdings ist hier ein gewisser Aufwand im Hinblick auf das Heranführen elektrischer Verbindungsleitungen und im Zusammenhang damit erforderlicher Dichtungsmaßnahmen zu betreiben. Denkbar erscheit es insoweit auch, jeweils die gesamte Brennstoffleitung in Schwingungen zu versetzen. To carry out the procedure for testing fuel cells for the Obtaining statements about their dynamic behavior suitable arrangement comprises at least one on the output side of the fuel cell connected electrical load, measuring device for measuring the load caused by this flowing current or the voltage drop across it or for measuring the Pressure and / or the temperature of the reaction products removed, an or in a line serving the fuel supply for the fuel cell arranged vibration generator, and means for determining the frequency of the each entered into the fuel flow by means of the vibration generator Vibration of variable frequency. With this arrangement, the procedure basically be done by changing the Vibration frequency realized by changing the respective vibration generator becomes. Preferably, however, a vibration generator is used, which in a tunable frequency range is tunable. According to one possible embodiment of the arrangement according to the invention is considered Vibration generator uses an electrodynamic transducer. Another One possibility is to use a piezoelectric transducer. How already executed, the vibrator is on or in the line arranged in which the mass flow moving through the line modulates shall be. When the test setup was implemented, the converter was inside the line arranged and with this directly on the mass flow acted. At present, this embodiment appears to be preferred his. However, there is a certain amount of effort involved in getting there electrical connecting lines and in connection therewith required To operate sealing measures. In this respect, it also seems conceivable vibrate the entire fuel line.

Sowohl das Verfahren als auch die Anordnung sind zum Testen bzw. Untersuchen von aus mehreren Zellen zusammengesetzten Stacks ebenso einsetzbar wie bei einzelnen Zellen. Die erfindungsgemäße Anordnung ist sinnvoll weitergebildet, wenn sie Mittel zur Aufzeichnung der Messwerte und der jeweiligen Modulationsfrequenz umfasst. Beispielweise kann mit diesen Mitteln eine über der Frequenz der modulierenden Schwingung aufgetragene Strom- oder Spannungskennlinie selbsttätig geschrieben werden. Both the method and the arrangement are for testing or Examination of stacks composed of several cells can also be used like individual cells. The arrangement according to the invention makes sense trained if they have means of recording the measured values and the respective Includes modulation frequency. For example, an over the frequency of the modulating vibration applied current or Voltage characteristic curve are written automatically.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels nochmals näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: In the following, the invention is intended to be repeated using an exemplary embodiment are explained in more detail. In the accompanying drawings:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung. Fig. 1 shows a schematic diagram of the arrangement according to the invention.

Fig. 2 eine mittels der Anordnung nach der Fig. 1 unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene Ausgangskennlinie für den Strom. FIG. 2 shows an output characteristic curve for the current obtained by means of the arrangement according to FIG. 1 using the method according to the invention.

Die Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung in einer Prinzipdarstellung. Wiedergegeben ist die schematische Darstellung einer Brennstoffzelle 1 mit Versorgungsleitungen 4, 4' für die ihr zuzuführenden Brennstoffe und Abgangsleitungen 7, 7' für das Reaktionsprodukt Wasser (oder im Falle der Methanol-Brennstoffzelle auch Kohlendioxid) und gegebenenfalls überschüssigen Brennstoff. Ausgangsseitig ist an die Brennstoffzelle 1 eine elektrische Last 2 angeschlossen. An dieser Last 2 werden mittels Messinstrumenten 3, 3' der durch sie fließende Strom und/oder die an ihr abfallende Spannung gemessen. Fig. 1 shows the arrangement according to the invention in a schematic diagram. The schematic representation of a fuel cell 1 with supply lines 4 , 4 'for the fuels to be supplied and outlet lines 7 , 7 ' for the reaction product water (or in the case of the methanol fuel cell also carbon dioxide) and possibly excess fuel is shown. An electrical load 2 is connected to the fuel cell 1 on the output side. The current flowing through it and / or the voltage dropping across it are measured on this load 2 by means of measuring instruments 3 , 3 '.

Während der wiederholten Messung dieser elektrischen Größen wird der Brennstoffstrom in der Leitung 4 (katodenseitig) oder der Leitung 4' (anodenseitig) oder gegebenenfalls in beiden Leitungen 4, 4' mit einer Schwingung im Frequenzbereich zwischen 10-3 und 106 Hz beaufschlagt. Die Frequenz dieser Schwingung wird kontinuierlich in dem angegebenen Bereich verändert und der Strom oder die Spannung im Ausgangskreis bei unterschiedlichen Frequenzen gemessen. During the repeated measurement of these electrical quantities, the fuel flow in line 4 (cathode side) or line 4 '(anode side) or possibly in both lines 4 , 4 ' is subjected to an oscillation in the frequency range between 10 -3 and 10 6 Hz. The frequency of this vibration is continuously changed in the specified range and the current or voltage in the output circuit is measured at different frequencies.

Die jeweils erhaltenen Messwerte werden über der Frequenz aufgetragen. Die Modulation der Masseströme mittels der Schwingung erfolgt mit Hilfe eines in die jeweilige Brennstoffzufuhrleitung 4, 4' eingeordneten Schwingungselementes 5, 5'. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um einen piezoelektrischen Wandler. In gleicher Weise kann eine Messung des Drucks oder der Temperatur der Reaktionsprodukte in den abgehenden Leitungen 7, 7' als Reaktion auf die Modulation des Brennstoffmassestroms mit Hilfe entsprechender Messmittel 6, 6' erfolgen. The measured values obtained in each case are plotted against the frequency. The mass flows are modulated by means of the vibration with the aid of a vibration element 5 , 5 'arranged in the respective fuel supply line 4 , 4 '. This is preferably a piezoelectric transducer. In the same way, the pressure or the temperature of the reaction products in the outgoing lines 7 , 7 'can be measured in response to the modulation of the fuel mass flow with the aid of appropriate measuring means 6 , 6 '.

Das Ergebnis einer wiederholten Messung des Ausgangsstroms bei sich gleichzeitig verändernder Frequenz der modulierenden Schwingung ist in Form einer sich hierbei ergebenden Ausgangsstromkennlinie in der Fig. 2 dargestellt. Aus den dabei erkennbar werdenden Peaks (Strommaxima) können Rückschlüsse über die Medienströme innerhalb der Zelle gezogen werden. Aufgrund der umgekehrten Proportionalität zwischen Frequenz und Wellenlänge ergeben sich Schwingungsresonanzen (erkennbar an den Peaks) bei niedrigen Frequenzen für große Räume bzw. bei hohen Frequenzen für kleine Räume. Aus diesen durch das Resonanzverhaltens erkennbar werdenden Volumenverhältnissen kann dann beispielsweise auf das Entstehen von Verschlüssen oder unerwünschter Ansammlungen flüssiger Massen geschlossen werden, indem die erhaltenen Kurven der grundsätzlichen Zellengeometrie und empirischen Erkenntnissen über das Strömungsverhalten der Medien in ihrem Innern gegenüber gestellt werden. Durch eine Frequenz- und Phasenverschiebung der zur Modulation anoden- und/oder katodenseitig verwendeten Schwingung lassen sich darüber hinaus ortsabhängige Parameter innerhalb der Brennstoffzelle bestimmen. The result of a repeated measurement of the output current with a simultaneously changing frequency of the modulating oscillation is shown in FIG. 2 in the form of an output current characteristic curve which results here. Conclusions about the media flows within the cell can be drawn from the peaks (current maxima) that become apparent. Due to the inverse proportionality between frequency and wavelength, vibrational resonances (recognizable by the peaks) result at low frequencies for large rooms or at high frequencies for small rooms. From these volume ratios, which can be recognized by the resonance behavior, it can then be concluded, for example, that closures or undesirable accumulations of liquid masses have arisen by contrasting the curves obtained with the basic cell geometry and empirical knowledge about the flow behavior of the media inside. A frequency and phase shift of the vibration used for modulation on the anode and / or cathode side can also be used to determine location-dependent parameters within the fuel cell.

Die Fig. 2 betrifft die Darstellung des Testergebnisses für zwei Messzyklen. Dabei wurde der gesamte Frequenzbereich zwischen 10-3 Hz und 106 Hz bzw. im Beispiel sogar darüber hinaus zwei Mal bei jeweils einer anderen Temperatur innerhalb der Brennstoffzelle durchlaufen. Durch die Variation dieses zusätzlichen Parameters können gegebenenfalls Rückschlüsse auf die Eigenschaften der innerhalb der Brennstoffzelle 1 zwischen der Anode und der Katode angeordneten Polymermembran gezogen werden. Deren Permeabilität verändert sich beispielsweise in Anhängigkeit von der Temperatur. The Fig. 2 concerns the presentation of the test results for two measurement cycles. The entire frequency range between 10 -3 Hz and 10 6 Hz or, in the example, even more was run through twice at a different temperature within the fuel cell. By varying this additional parameter, conclusions can be drawn on the properties of the polymer membrane arranged within the fuel cell 1 between the anode and the cathode. Their permeability changes, for example, depending on the temperature.

Auch aus den Druck- oder Temperaturverhältnissen in den abgehenden Leitungen 7, 7' bzw. durch eine Betrachtung der Verhältnisse im Hinblick auf den Druck oder die Temperatur der Brennstoffe in den Leitungen 4, 4' als Parameter für mehrere Messzyklen lassen sich Rückschlüsse auf das dynamische Verhalten der Brennstoffzelle 1 ziehen. In dem Beispiel umfasst die Anordnung daher auch Druckmesser 6, 6'. Die Anordnung wird vorzugsweise durch hier nicht dargestellte Mittel zur Aufzeichnung der gemessen Größen (Strom, Spannung bzw. Druck, Temperatur) und der Modulationsfrequenz ergänzt. Liste der verwendeten Bezugszeichen 1 Brennstoffzelle
2 Last
3 Messmittel, Strommesser
3' Messmittel, Spannungsmesser
4 Brennstoffleitung (katodenseitig)
4' Brennstoffleitung (anodenseitig)
5, 5' Schwingungserzeuger, Wandler
6, 6' Messmittel, Temperatur- bzw. Druckmesser
7, 7' abgehende Leitung
Conclusions about the dynamic can also be drawn from the pressure or temperature conditions in the outgoing lines 7 , 7 'or by considering the conditions with regard to the pressure or the temperature of the fuels in the lines 4 , 4 ' as parameters for several measuring cycles Pull behavior of fuel cell 1 . In the example, the arrangement therefore also includes pressure gauges 6 , 6 '. The arrangement is preferably supplemented by means not shown here for recording the measured variables (current, voltage or pressure, temperature) and the modulation frequency. List of reference numerals used 1 fuel cell
2 load
3 measuring devices, ammeters
3 'measuring equipment, voltmeter
4 fuel line (cathode side)
4 'fuel line (anode side)
5 , 5 'vibration generator, transducer
6 , 6 'measuring means, temperature or pressure meter
7 , 7 'outgoing line

Claims (14)

1. Verfahren zum Testen von Brennstoffzellen zur Gewinnung von Aussagen über deren dynamisches Verhalten, bei welchem ausgangsseitig der Brennstoffzelle an einer angeschlossenen Last Strom- und/oder Spannungswerte oder an abgehenden Leitungen die Temperatur und/oder der Druck abgeführter Reaktionsprodukte des elektrochemischen Prozesses gemessen und die Messwerte in Beziehung zu einer Schwingung veränderlicher Frequenz gesetzt werden, welche den der Brennstoffzelle Brennstoffe, vorzugsweise in Form von Wasserstoff und Luft oder Methanol und Luft, zuführenden Masseströmen überlagert wird, wobei die Masseströme durch die Schwingung moduliert werden. 1. Procedure for testing fuel cells to obtain statements about their dynamic behavior, on the output side of which Fuel cell on a connected load current and / or voltage values or the temperature and / or pressure on outgoing lines dissipated reaction products of the electrochemical process measured and the measured values are more variable in relation to a vibration Frequency is set which is that of the fuel cell fuels, preferably in the form of hydrogen and air or methanol and air, supplying mass flows is superimposed, the mass flows through the vibration can be modulated. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Masseströme anoden- und/oder katodenseitig erfolgt. 2. The method according to claim 1, characterized in that the modulation the mass flows on the anode and / or cathode side. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine entsprechende Bemessung der Amplitude der den Massestrom modulierenden Schwingung der Durchfluss an Brennstoffen bezogen auf einen Gleichwert, der Frequenz der modulierenden Schwingung folgend, um ±10% oder weniger variiert. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that by a appropriate dimensioning of the amplitude of the mass flow modulating vibration the flow of fuels related to a Equivalent, following the frequency of the modulating vibration, to Varies ± 10% or less. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der die Masseströme modulierenden Schwingung in einem Frequenzbereich zwischen 10-3 und 106 Hz variiert wird. 4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the frequency of the vibration modulating the mass flows is varied in a frequency range between 10 -3 and 10 6 Hz. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der die Masseströmende modulierenden Schwingung zeitlich stetig verändert und somit innerhalb eines festgelegten Frequenzbereiches durchgestimmt wird. 5. The method according to claim 1 or 4, characterized in that the Frequency of the mass-flowing modulating oscillation in time constantly changing and thus within a defined frequency range is tuned. 6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Masseströme mit Schwingungen unterschiedlicher Amplitude erfolgt. 6. The method according to claim 1 or 4, characterized in that the Modulation of mass flows with different vibrations Amplitude occurs. 7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Masseströme mit Schwingungen unterschiedlicher Signalform erfolgt. 7. The method according to claim 1 or 4, characterized in that the Modulation of mass flows with different vibrations Waveform is done. 8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der zwischen Strom und/oder Spannung einerseits sowie der die Masseströme modulierenden Frequenz andererseits bestehenden Beziehung mehrmals erfolgt, wobei bei aufeinanderfolgenden Messzyklen jeweils ein weiterer innerhalb eines Messzyklus konstant gehaltener Parameter variiert wird. 8. The method according to claim 1 or 4, characterized in that the Detection of the between current and / or voltage on the one hand and the the Mass flows modulating frequency on the other hand existing Relationship occurs several times, with successive measurement cycles one more in each case kept constant within a measuring cycle Parameter is varied. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem von einem Messzyklus zum nächsten variierten Parameter um die an der Brennstoffzelle gemessene Temperatur eines Kühlmediums handelt. 9. The method according to claim 8, characterized in that it is the from one measurement cycle to the next varied parameters by the at the Fuel cell measured temperature of a cooling medium is. 10. Anordnung zum Testen von Brennstoffzellen (1) zur Gewinnung von Aussagen über deren dynamisches Verhalten, mindestens umfassend eine ausgangsseitig der Brennstoffzelle (1) an diese angeschlossene elektrische Last (2), Messmittel (3, 3', 6 6') zur Messung des durch diese Last (2) fließenden Stroms bzw. der an ihr abfallenden Spannung oder zur Messung des Drucks und/oder der Temperatur abgeführter Reaktionsprodukte, mindestens einen an oder in mindestens einer der Brennstoffzufuhr für die Brennstoffzelle dienenden Leitungen (4, 4') angeordneten Schwingungserzeuger (5, 5') und Mittel zur Bestimmung der jeweils mittels des Schwingungserzeugers (5, 5') in den Brennstoffstrom (Massestrom) eingetragenen Schwingung veränderlicher Frequenz, wobei der Schwingungserzeuger (5, 5') vorzugsweise innerhalb eines vorgebbaren Frequenzbereiches durchstimmbar ist. 10. Arrangement for testing fuel cells ( 1 ) to obtain information about their dynamic behavior, at least comprising an electrical load ( 2 ) connected to the output side of the fuel cell ( 1 ), measuring means (3, 3 ', 6 6') for measurement of the current flowing through this load ( 2 ) or of the voltage falling across it or for measuring the pressure and / or the temperature of the reaction products removed, at least one on or in at least one of the lines serving to supply the fuel cell for the fuel cell ( 4 , 4 ') Vibration generator ( 5 , 5 ') and means for determining the vibration of variable frequency entered into the fuel flow (mass flow) by means of the vibration generator ( 5 , 5 '), the vibration generator ( 5 , 5 ') preferably being tunable within a predefinable frequency range. 11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserzeuger (5, 5') als ein elektrodynamischer Wandler ausgebildet ist. 11. The arrangement according to claim 10, characterized in that the vibration generator ( 5 , 5 ') is designed as an electrodynamic converter. 12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das es sich bei dem Schwingungserzeuger (5, 5') um einen piezoelektrischen Wandler handelt. 12. The arrangement according to claim 10, characterized in that it is in the vibration generator ( 5 , 5 ') is a piezoelectric transducer. 13. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese noch weitere Messmittel, vorzugsweise zur Messung der Temperatur an der Brennstoffzelle bzw. in einem zu ihrer Kühlung dienenden Kühlmedium und/oder zur Messung des Drucks in den Brennstoffleitungen umfasst. 13. Arrangement according to claim 10, characterized in that it is still further measuring means, preferably for measuring the temperature at the Fuel cell or in a cooling medium serving to cool it and / or for measuring the pressure in the fuel lines. 14. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung Mittel zur Aufzeichnung der Messwerte und der jeweiligen Modulationsfrequenz, vorzugsweise zum Schreiben einer über der Frequenz der modulierenden Schwingung aufgetragenen Strom- oder Spannungskennlinie, umfasst. 14. Arrangement according to claim 10, characterized in that the arrangement Means for recording the measured values and the respective Modulation frequency, preferably for writing one over the Frequency of the modulating vibration applied current or Voltage characteristic curve.
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