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EP 1 839 364 B12510152025303540455055Beschreibung?[0001] Eine Polymerelektrolytmembran-?Brennstoff-zelle PEMFC setzt einen chemischen Energieträger(Wasserstoff PEFC oder Methanol DMFC) direkt in Elek-troenergie um. Die Kernsegmente einer PEMFC unter-liegen einer ständigen Weiterentwicklung. Sowohl derPolymerelektrolyt als auch die Elektroden mit ihren Ka-talysatoren unterliegen hohen Materialansprüchen.Trotzdem steht die PEMFC kurz vor einer breiten Markt-einführung.?[0002] Der prinzipielle Aufbau einer PEMFC ist wie-derum unterteilt in zwei Sektoren:?1. Elektrochemie: zelleninterne Komponenten,die im eigentlichen Sinne die Brennstoffzelle be-schreiben. Hierzu gehören vorwiegend:?- Polymerelektrolytmembran PEM (Festelektrolytin Folienform)- aktive Elektroden inkl. Edelmetallkatalysatoren(Dreiphasenschicht; vereint mit PEM ergibt sichMembran-?Elektroden-?Verbund → engL MEAMembrane Electrode Assembly)- Microlayer (Übergangsschicht von Elektrode zuGasdiffusionsschicht)- Gasdiffusionsschichten GDL (Gasverteilungmanchmal vereint mit Microlayer, PEM-?Schutz)- Flowfiels (Gaszuführung bzw. -abführung,Stromconnector; event. mit Kühlschicht)2. Hardware: Endplatten, Medienanschlüsse,Spannbolzen → vorwiegend mechanische Baugrup-pen und Komponenten?[0003] Testbrennstoffzellen für die Charakterisierungvon zelleninternen Komponenten für Brennstoffzellensind sehr simpel aufgebaut. Die zelleninternen Kompo-nenten werden mit Hilfe von mechanisch steifen Endplat-ten und mittels Gewindebolzen unter Zuhilfenahme vonFlachdichtungen verspannt. Die zelleninternen Kompo-nenten (MEA, GDL mit und ohne Microlayer, Flowfields)werden mit der entsprechenden Dichtungstechnik(Flachdichtungen, Null-?Ringen) in der richtigen Reihen-folge aufeinander geschichtet und mit der Hardware zueiner Test-?Brennstoffzelle zusammengebaut.?[0004] Der Anpressdruck auf die aktive Zellenflächeder MEA (die Zone in der die elektrochemischen Reak-tionen ablaufen) hängt bei diesen Testbrennstoffzellenvom Zusammenspiel der jeweiligen Schichtdicken derDichtungen, der Gasdiffusionsschichten GDL und derMEA ab. Anschließend wird durch das Anzugsdrehmo-ment der Spannbolzen ein mechanischer Druck auf dieaktive Zellenfläche gebracht, der zum einen die entspre-chende Dichtigkeit gewährleistet und zum anderen dieKontakt- bzw. Übergangswiderstände des zelleninter-nen Aufbaus weitgehend minimiert. Je höher der zellen-interne Anpressdruck, umso niedriger der entsprechen-de Zelleninnenwiderstand.?[0005] Eine direkte Aussage über den zelleninternenAnpressdruck hängt also von- der Auswahl der GDL-?Schichtdicke- der Schichtdicke des verwendeten Dichtungsauf-baus- und von den Reibwertverlusten der mechanischenVerspannung ab.Nachteile altes Konzept?[0006]1. Ohne einen Wechsel der Dichtungen oder GDLsist der Anpressdruck auf die zellinternen Komponen-ten nur in einem kleinen Bereich variierbar. Soll derAnpressdruck (bei gegebenen zelleininternen Auf-bau) über einen definierten Bereich geändert wer-den, wird die Testzelle geöffnet und durch Verwen-dung anderer Flachdichtungen eine Verstellung deszelleninternen Anpressdrucks ermöglicht. Dieserliegt aber nur rechnerisch/?theoretisch vor! Der wahreWert bleibt unerkannt.2. Die Quellung der Membran (Kontakt mit Produkt-wasser) ruft zusätzliche Druckkräfte hervor. Diesewerden durch den starren Aufbau nicht kompensiert.3. Es besteht keine Möglichkeit einer quantitativenAussage über den Anpressdruck auf die zellinternenKomponenten in der Testbrennstoffzelle. Der An-pressdruck auf die aktive Fläche der MEA [N/mm 2 ]lässt sich in dieser Zelle nicht ohne zusätzlichen Auf-wand bestimmen. Dieser aber ist für die Reprodu-zierbarkeit der Messergebnisse ein sehr wichtigerFaktor.4. Ein schnelles Austauschen von zelleninternenKomponenten ist nur mit sehr viel Vorsicht möglich;das Verfahren ist stark fehlerbehaftet und die Re-produzierbarkeit ist nicht gegeben.5. Der Innenwiderstand der Zelle lässt sich nur miteinem zusätzlichen, externen Gerät bestimmen.6. Für Maßnahmen einer Qualitätssicherung ist dasKonzept nicht geeignetNeuer Vorschlag?[0007] Zur Charakterisierung und Qualifizierung vonzelleninternen Komponenten wurde eine aktive Test-brennstoffzelle entwickelt, die es ermöglicht,?- mit geringem Montageaufwand,- wenig fehlerbehaftet,- und mit hoher Reproduzierbarkeit der Messergeb-nissetechnische Aussagen über die zu testenden zelleninter-nen Komponenten zu ermitteln.?[0008] Mit Hilfe einer pneumatischen Druckbeauf-1 2