Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit der die Stromdichteverteilung in einer Brennstoffeinzelzelle und insbesondere auch in kompletten Brenn¬ stoffzellenstapeln ermittelt werden kann.

Stand der Technik Die Wirkungsweise und damit die Effektivität einer Brennstoffzelle sind einerseits stark von der Betriebsführung der Brennstoffzelle, insbesondere von dem Wasser- und Wärmemanagement, und andererseits vom Design und der Bauweise, beispielsweise der Geometrie der Betriebskanäle, ab- hängig. Während der Betriebsführung einer Brennstoffzelle treten regel¬ mäßig Inhomogenitäten innerhalb der Brennstoffkonzentration entlang der Betriebsmittelverteilerplatte, auch Flow field genannt, auf, welche regel¬ mäßig zu Inhomogenitäten in der Stromverteilung entlang der Elektrode führen. Diese Inhomogenitäten sind allerdings an der Außenseite einer Brennstoffzelle nicht zu erkennen, da dort in der Regel nur der gesamte Zellenstrom, bzw. die gesamte Zellspannung abgegriffen werden kann. Neben der Brennstoffkonzentration beeinflussen auch das Wassermana¬ gement und die Temperaturverteilung die Stromverteilung in einer Zelle.

Die Optimierung dieser Faktoren setzt daher insbesondere die genaue Kenntnis der lokalen Stromdichteverteilung in der Einzelzelle bzw. in dem Brennstoffzellenstapel voraus.

Um die zunächst in Simulationen berechneten mathematischen Ergebnis- se zu bestätigen, sind insbesondere praktische Untersuchungen notwen¬ dig, die zudem ein besseres Verständnis für die elektrochemischen Reak¬ tionen im Inneren einer Brennstoffzelle geben sollen. Bislang sind jedoch nur einige wenige Experimente an Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoff- zellen (PEM) und an Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC) [1-4] veröf¬ fentlicht worden, die sich mit der Stromdichteverteilung in einer Einzelzelle beschäftigt haben.

Bei Stümper et al. [3] werden gleich mehrere unterschiedliche Methoden vorgestellt, die Informationen über die Stromdichteverteilung liefern kön¬ nen. Dies sind die Partielle Membran-Elektroden-Einheit (MEA)-Methode, bei der nur ein Teil der Membran mit Katalysator belegt wird. Durch Mes¬ sung an unterschiedlichen Bereichen der Membran kann so auf die Stromdichteverteilung geschlossen werden. Bei der Unterzellenmethode sind einige Bereiche der Membran-Elektroden-Einheit und passend dazu in der Anode und der Kathode vom Rest der Zelle isoliert und werden zur Auslesung separat angesteuert. Bei der Stromabbildungstechnik werden zwischen die Strömungsfeldplatte und die ableitende Platte Widerstände geschaltet. Der Spannungsabfall an diesen Widerständen kann als Maß für den Strom genommen werden.

Cleghorn et al. [8] offenbart eine segmentierte Anode für eine Brennstoff¬ zelle. Sie ist aus einer durchkontaktierten gedruckten Leiterplatte gefertigt. Ein Segment wird mit einer ersten Kontaktspannungsquelle verbunden und der durch das Segment fließende Strom kann gemessen werden. Die übrigen Segmente werden mit einer zweiten Kontaktspannungsquelle ver¬ bunden. Durch Umschaltung zwischen den Segmenten kann so der Strom durch alle Segmente gemessen werden.

Eine gedruckte Leiterplatte wird auch bei Brett et al. in [2] eingesetzt, wo¬ bei isolierte Stromsammler geschaffen wurden, um eine Segmentierung der Zelle zu umgehen.

Bei Schönbauer et al. in [7] wurde eine gedruckte Schaltung in eine Bipo¬ larplatte eingebracht, so dass die Stromverteilung nicht nur in einer Ein- zelzelle, sondern vorteilhaft in einem Brennstoffzellenstapel gemessen werden konnte.

Noponen et al. berichten in [5] über die Messung der Stromdichtevertei- lung einer segmentierten Kathode einer freiblasenden Brennstoffzelle.

Bei Wieser et al. [1] werden Hallsensoren in eine segmentierte Flow field Platte eingesetzt, um das magnetische Feld zu messen, welches sich aus dem Stromfluss in der elektrochemischen Zelle ergibt. Die Stromdichtever- teilung lässt sich dann daraus zurückrechnen. Es wird eine Versuchsan¬ ordnung für eine 600 cm2 große Elektrodenfläche mit 5 x 8 Stromsensoren dargestellt.

Yonn et al. offenbart in [9] eine segmentierte Einzelzelle, bei der ebenfalls das magnetische Feld gemessen, und die Stromdichteverteilung daraus errechnet wird. Dabei wird das segmentierte Flow field sowohl an der Ka¬ thodenseite, als auch an der Anodenseite eingesetzt.

In DE 100 03 584 A1 wird ein Verfahren beschrieben, welches die Strom- dichteverteilung in einer Brennstoffzelle über die Vermessung des äuße¬ ren Magnetfeldes bestimmt.

Aus DE 102 13 479 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestim¬ mung der Stromdichteverteilung, der Temperaturverteilung und der Druck- Verteilung über den Querschnitt eines Leiters bekannt, bei dem Messzel¬ len zu einer Matrix angeordnet werden. Die Messzellen einer Zeile werden jeweils durch ein Signal aktiviert. An den Spalten wird dann ein Signal ab¬ gegriffen, welches dem zu messenden Strom proportional ist. Allen vorgenannten Messmethoden ist gemein, dass die Bestimmung der Verteilung der Stromdichte nur mit hohem Verdrahtungsaufwand und/oder aber mit einer relativ schlechten Auflösung erfolgte.

Die Stromdichte charakterisiert die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzel¬ le. Sie wird üblicherweise in mA/cm2 gemessen. Weil diese Kenngröße auch von der Zellspannung abhängt, bezieht man die Stromdichte übli¬ cherweise auf eine Zellspannung zwischen 0,6 und 0,7 V. Die Stromdichte ist abhängig von der effektiven Zellfläche der Elektroden. Diese ist auf- grund ihrer porösen Gestaltung der Oberfläche in der Regel um ein Vielfa¬ ches größer als ihre mechanische Fläche. Eine Linearität zwischen den beiden Größen existiert aber in der Regel nicht. Eine Verdoppelung der Zellfläche führt also nicht zwangläufig zu einer Verdoppelung der Strom¬ dichte.

Allen diesen vorgenannten Verfahren ist die Segmentierung der Brenn¬ stoffzelle teilweise oder komplett gemeinsam. Dies führt aber zwangsläufig zu einer Abweichung des Verhaltens der Brennstoffzelle in diesem Ver¬ suchsaufbau verglichen mit dem üblichen Betrieb einer unsegmentierten Zelle.

Aufgabe und Lösung Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Ermittlung der loka¬ len Stromdichtverteilung innerhalb einer Einzelzelle oder eines Brennstoff- zellenstapels zur Verfügung zu stellen, mit der auf einfache Weise reali¬ tätsnahe Stromdichtemessungen über den Zellenquerschnitt vorgenom¬ men werden können.

Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch eine Vorrichtung mit der Gesamtheit an Merkmalen gemäß Hauptanspruch. Vorteilhafte Ausgestal- tungen der Vorrichtung finden sich in den jeweils rückbezogenen Unteran¬ sprüchen. Gegenstand der Erfindung Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich um eine stromlei¬ tende, insbesondere aus expandiertem Graphit bestehende Platte, die innerhalb der Brennstoffzelle bzw. einem Brennstoffzellenstapel angeord- net ist. Die Platte ist dabei beispielsweise zwischen einer Endplatte und einer bipolaren Platte auf der Kathodenseite einer Brennstoffzelle ange¬ ordnet. Aufgrund ihrer guten Dichtungseigenschaften kann die Platte sowohl in einer Einzelzelle, als auch in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet werden. Durch eine teilweise Segmentierung der Graphitplatte wird ein Widerstandsnetzwerk auf der Graphitplatte realisiert. In einer Ausgestaltung der segmentierten Platte wird diese beispielsweise aus einer einzelnen Platte hergestellt, wobei die einzelnen Segmente bis auf vier dünne Stege an den Ecken eines jeden Segmentes jeweils von benachbarten Segmenten getrennt werden. Die Segmentierung kann aber auch durch Zusammenbau einzelner Segmente erfolgen, die beispielswei¬ se durch isolierendes Material voneinander getrennt zu einer Platte ange¬ ordnet werden. Jedes Segment hat die Funktion eines Widerstands in dem Widerstandsnetzwerk. Jedes Segment ist mit zwei Kabeln zur Abnahme einer Potentialdifferenz verbunden. Diese sind vorteilhaft jeweils auf der Vorder- und der Rückseite eines jeden Segments angeordnet.

Die partielle Segmentation der Platte verringert vorteilhaft den lateralen Stromfluss in der Platte. Sobald ein Strom durch ein Segment fließt, tritt aufgrund des Materialwiderstandes eine Potentialänderung über dem Segment auf. Die auftretenden Potentialdifferenzen über verschiedene Segmente hängen jeweils von dem dort lokal fließenden Strom ab. Die Potentialdifferenz wird vorteilhaft im Zentrum eines jeden Widerstands¬ segments gemessen. Damit lässt sich die Stromdichteverteilung dann be- rechnen. Die Genauigkeit der Stromdichteverteilung steigt mit der Anzahl der Seg¬ mente. Der Fachmann kann anhand der zu klärenden Fragestellung eine entsprechende Matrix für eine Brennstoffzelle auswählen. Vorteilhaft wird beispielsweise bei einer Zellengröße von 16 X 24 cm2 mit einer aktiven Fläche von 244 cm2 eine Matrix von wenigstens 4 x 5 Segmente vorgese¬ hen. Mit der Anzahl der Segmente steigt nachteilig auch die Anzahl der Kontaktdrähte, was einerseits zu einem erhöhten Verschaltungsaufwand und andererseits zu einer regelmäßig größeren Störung des Systems führt.

Um eine Störung durch die in der Zelle angeordneten Drähte zu minimie¬ ren, sieht eine vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung sehr dünne Drähte vor, die beispielsweise einen Durchmesser von nur 0,15 mm auf¬ weisen.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform weist sequentiell verschaltete Drähte auf. Das bedeutet, dass in einer Reihe bzw. einer Spalte von Seg¬ menten lediglich ein Draht geführt wird, der zu allen in dieser Reihe befind¬ lichen Segmenten Kontakt hat. Vorteilhaft wird auf einer ersten Seite der Platte eine sequentielle Reihen- und auf der zweiten Seite eine sequentiel¬ le Spaltenverschaltung vorgesehen. Damit lässt sich die Anzahl der Dräh¬ te deutlich reduzieren und die Beeinflussung des Systems durch diese Drähte wird ebenfalls weiter reduziert.

Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik, bei dem zur Ermittlung der Stromdichteverteilung häufig einzelne Elektroden oder Flow-fields segmentiert wurden, bleibt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die eigentlich zu untersuchende Brennstoffzelle unverändert. Die zusätzlich eingebrachte segmentierte Platte und gegebenenfalls weitere Platten kön- nen nach der Ermittlung der Stromdichteverteilung für diese Brennstoffzel¬ le einfach wieder ausgebaut werden. Die zusätzlichen weiteren Platten können sowohl segmentiert, als auch nicht segmentiert sein, und insbesondere ebenfalls aus expandiertem Graphit bestehen. Diese zusätzlichen Platten bewirken vorteilhaft den Schutz der Kontaktstellen und der Drähte der eigentlichen segmentierten Platte. Gleichzeitig können sie als Dichtelemente, beispielsweise für einen vorhandenen Kühlkreislauf dienen.

Bei Einbau einer segmentierten Platte (Widerstandsnetzwerk) in einem Brennstoffzellenstapel, wird diese vorteilhaft zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich wie folgt zu¬ sammenfassen. Der Brennstoffzellenstapel wird in seiner Betriebsführung kaum beeinträchtigt. Es sind Messungen zur Ermittlung der lokalen Stromdichteverteilung über den Querschnitt der Zelle sowohl innerhalb einer einzelnen Brennstoffzelle als auch für einen Brennstoffzellenstapel möglich. Durch den Einsatz der zusätzlichen Platte wird eine Segmentie¬ rung einer der Elektroden unnötig. Nach dem Ausbau der Platte ist die Zelle weiterhin voll funktionstüchtig.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt somit eine einfache und kosten¬ günstige Möglichkeit zur Verfügung, bessere Erkenntnisse über die Reak¬ tivität innerhalb einer Brennstoffzelle zu erhalten. Durch die verbesserte Ermittlung von Stromdichteverteilungen werden auf einfache Weise vor- teilhafte Optimierungen der Betriebsführungen einer Brennstoffzelle er¬ möglicht.

Spezieller Beschreibungsteil Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand eines Ausfüh- rungsbeispiels und von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegen¬ stand der Erfindung dadurch beschränkt wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Stromdichteverteilung in einer einzelnen PEM-Brennstoffzelle mil den Maßen 24 x 16 cm2 und einer akti¬ ven Elektrodenfläche von 244 cm2 bestimmt. Die Brennstoffzelle weist ei¬ ne 14-Kanal Serpentinen Verteilerplatte auf, die in Figur 1 wiedergeben ist. Eine Platte 1 aus expandiertem Graphit mit einer Stärke von 0,1 cm und ähnlichen Abmessungen wie die Brennstoffzelle wird als Wider¬ standsnetzwerk eingesetzt. Die Graphitplatte wird in 20 gleichgroße Berei¬ che 2 der Größe 32 x 32 mm2 segmentiert, so dass sich ein 5 x 4 Wider¬ standsnetzwerk ergibt. Diese Art der Segmentierung basiert vorteilhaft auf der Lage der Serpentinen 3 auf der Verteilerplatte. Das Netzwerk selbst wird durch Trennlinien 4 in der Graphitplatte in der Größenordnung von 2 x 30 mm2 erzeugt, die benachbarte Segmente voneinander trennt, aber an den Ecken eine Verbindung 5 von ca. 4 x 4 mm2 bestehen lässt. Die Seg¬ mente werden üblicherweise in Flussrichtung des Kathodengases numme- riert. Jede Seite eines Segments wird mit einem Kupferkabel 6 kontaktiert, so dass in Summe vierzig Kupferkabel vorliegen. Um Störungen durch die Drähte innerhalb der Zelle zu reduzieren werden Kupferdrähte mit 0,15 mm Querschnitt eingesetzt, die über die Trennlinien zu einer Seite der Brennstoffzelle nach außen geführt werden.

In der Figur 2 wird die Lage des Widerstandsnetzwerks innerhalb der Brennstoffzelle deutlich. Die Platte 1 mit dem Widerstandsnetzwerk (1+6) ist in der Brennstoffzelle an der Kathodenseite zwischen einer Endplatte 8 und einer bipolaren Platte 9 angeordnet, wobei sie selbst zwischen zwei weiteren segmentierten Graphitplatten 10 angeordnet ist. Diese beiden zusätzlichen Graphitplatten sollen insbesondere Schäden an den Kontakt¬ punkten des Widerstandsnetzwerks verhindern. Zwischen einer der seg¬ mentierten Graphitplatten 10 und der Endplatte 8 ist eine kompakte Gra¬ phitplatte 11 vorgesehen, die Luft-Leckagen regelmäßig verhindert. 12 stellt die Membran-Elektrodeneinheit (MEA) dar, die von zwei weiteren Dichtungen (gaskets) 13 begrenzt wird. Legende im Einzelnen: 1 Strom leitende Platte 2 Segmente 3 serpentinenförmig angeordnete Kanäle (z. B. 14 Stück) 4 Trennungen, beispielsweise durch Lücken oder durch isolierendes Material realisiert 5 Stege, insbesondere bei Lücken zwischen den Segmenten zur Stabi¬ lisierung der Platte 1 6 Drähte 7 Widerstandsnetzwerk mit segmentierter Platte 1 und Kontaktdrähte 6 8 Endplatte 9 bipolare Platte 10 segmentierte Graphitplatte 11 unsegmentierte Graphitplatte 12 Membran-Elektroden-Einheit (MEA) 13 Dichtungen In der Anmeldung zitierte Literatur: [l] Ch. Wieser, A. Helmbold, E. Gülzow in "A new technique for two- dimensional current distribution measurements in electrochemical cells", Journal of Applied Electrochemistry 30 (2000) 803-807. [2] D. J. L. Brett, S. Atkins, NP. Brandon, V. Vesovic, N. Vasileiadis, A.R.Kucemak, Electrochemistry Communications, 3 (2001 ) 628. [3] J. Stümper, S.A. Cambell, DP. Wilkinson, M. C. Johnson, M. Davis in "In-situ methods for the determination of current distributions in PEM fuel cells", Electrochimica Acta, Vol. 43, No. 24 (1998) 3773-3783. [4] M. M. Mench, CY. J. Wang, The Electrochemical Society 150(1 ) (2003) A79. [5] M. Noponen, T. Mennolan, M. Mikkola, T. Hottinen, P. Lund, J. Power Sources 106 (2002) 304. [6] N. Rajalakshimi, m. Raja. K.S. Dhaththreyan, J. Power Sources 112 (2002) 331. [7] S. Schönbauer, T. Kaz, H. Sander, E. Gülzow, Proceedings 2nd Euro- pean PEFC Forum, Licern, Schweiz 1 (2003) 231. [8] S.J.C. Cleghom, CR. Derouuin, M.S. Wilson, S. Gottesfeld in "A printed circuit board approach to measuring current distribution in a fuel cell", Journal of Applied Electrochemistry 28 (1998) 663-672. [9] Young-Gi Yoon, Won-Yong Lee, Tae-Hyun Yang, Gu-Gon Park Chang-Soo Kim in "Current distribution in a Single cell of PEMFC", Journal of Power Sources 118 (2003) 193-199.