View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

3.4 Kraftflussmessung 47
Die Dichtigkeitsmessungen erfolgen in Form von Druckhaltetests. Die Tests umfassen die Überprüfung
der Querdichtigkeit zwischen den unterschiedlichen Medienräumen und der Dichtigkeit
der gesamten Brennstoffzelle gegen die Umgebung. Zur Durchführung der Tests werden die
assemblierten Zellen, bestehend aus Endplatten, Bipolarplatten, MEAs und Dichtungen, mit
Stickstoff mit einem Druck von 2 bar beaufschlagt. Bei bekanntem Gasvolumen in den Zellen
wird der Druckabfall als Funktion der Zeit aufgezeichnet und ausgewertet.
3.4 Kraftflussmessung
Aufgrund der stark von der Anpresskraft abhängigen Übergangswiderstände ist eine homogene
Druckverteilung in den Zellen Voraussetzung für eine gleichmäßige Stromdichteverteilung. Die
Kenntnis über den Kraftfluss in einem Zellstapel erleichtert die Auslegung der Endplatten sowie
der Kombination aus Dichtung und Diffusionsschicht.
Zur Messung der Anpressdruckverteilung in den Brennstoffzellen kommt ein Druckmesssystem
der Firma Tekscan zum Einsatz. Das Kernstück des Systems bildet der circa 0,1 mm dicke
Tastdrucksensor. Der Tastdrucksensor besteht aus zwei dünnen Kunststofffolien, von denen
die eine spaltenweise und die andere zeilenweise mit Leiterbahnen versehen ist. Auf die Leiterbahnen
ist eine elektrisch leitende Beschichtung aufgetragen, die in Abhängigkeit der auf sie
wirkenden Kraft ihren elektrischen Widerstand ändert. Die Schnittpunkte der leitfähigen Zeilen
und Spalten bilden die Messstellen. Die Messstellen werden elektronisch ausgewertet und über
eine Software visualisiert.
Der verwendete Tastdrucksensor hat eine quadratische Messfläche von 125 cm² mit insgesamt
1936 Messstellen. Der Messbereich liegt zwischen 0 und 6,9 MPa.
3.5 Stromdichtemessung
Die Leistung einer Brennstoffzelle wird unter anderem durch Einflussfaktoren wie der Betriebstemperatur
und dem Betriebsdruck, der Reaktandenbefeuchtung, der Anpressdruckverteilung
aber auch dem Zusammenspiel von Strömungsstruktur und MEA beeinflusst. Ein verbessertes
Verständnis der Einflüsse der unterschiedlichen Faktoren auf die Leistung kann durch die
Messung der Stromdichteverteilung in einer Brennstoffzelle erzielt werden. Die gewonnenen Erkenntnisse
helfen, das Zelldesign zu optimieren und die Betriebsbedingungen auf die vorliegenden
Zellgeometrien und -materialien abzustimmen.
Aus der Literatur sind verschiedene Ansätze zur Bestimmung der Stromdichteverteilung
bekannt. In [64] werden drei verschiedene Methoden vorgestellt. Um das lokale Stromdichteverhalten
zu untersuchen, basiert die sogenannte „partial MEA technique“ auf der gezielten Inaktivierung
bestimmter Gebiete der MEA. Dies geschieht entweder durch Maskierung oder durch
partielle Katalysatorbeschichtung der MEA. Bei der „subcell technique“ wird die Stromdichte an
kreisförmigen, über der Zelle verteilten und jeweils elektrisch vom Rest der Zelle isolierten
Gebieten der Anode und gegenüberliegender Kathode gemessen. Die als „current mapping“