View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

3.5 Stromdichtemessung 49
sind, kann das Widerstandsnetzwerk beispielsweise durch einen Stanz- oder Laserschneidprozess
kostengünstig aus einem einzigen Bauteil hergestellt werden. Die Rückwirkungen der
Apparatur auf die Brennstoffzellen sind gering, da die Zellkomponenten nicht modifiziert sind,
der Stromfluss nur minimal gestört wird und die Materialeigenschaften der Messvorrichtung
denen der Zelle entsprechen. Kühlstruktur und Messapparatur bestehen aus dem gleichen
Material und besitzen somit die gleichen thermischen und elektrischen Eigenschaften sowie die
gleiche Dichtungswirkung. Die Integration der Messvorrichtung in einen Zellstapel ist ebenso
möglich wie die Kühlung der untersuchten Zellen. Der kurze Messzyklus erlaubt die
Untersuchung instationärer Betriebszustände.
Es werden zwei Arten zur Bestimmung der Stromdichteverteilung unterschieden. Die erste ist
als Differenzstromdichtemessung, die zweite als Absolutstromdichtemessung bezeichnet. Die
Differenzstromdichtemessung vergleicht bei gleicher Gesamtstromstärke zwei unterschiedliche
Betriebszustände einer Brennstoffzelle. Die Differenz der Stromdichteverteilungen beider Betriebszustände
dient der Bewertung des Einflusses des variierten Betriebsparameters auf die
Stromdichteverteilung. Die Absolutstromdichtemessung ermittelt die absolute Verteilung der
Stromdichte in der Brennstoffzelle. Beide Arten zur Bestimmung der Stromdichteverteilung beruhen
auf der Messung von Potentialdifferenzen. Aufgrund des elektrischen Materialwiderstands
des expandierten Graphits tritt eine Potentialdifferenz auf, wenn Strom durch die einzelnen
Segmente fließt. Die über die Kupferdrähte (vergleiche Bild 3.7) gemessene Potentialdifferenz
ist direkt proportional zu dem Strom, der durch das entsprechende Segment fließt. Die
Stromdichte in einem Segment ergibt sich aus dem Ohmschen Gesetz zu
i
Seg
I
Seg
∆U
Seg
= =
Gl. 3.1
A R ⋅ A
Seg
Seg
Die Segmentfläche
Seg
A
Seg
ist bekannt, der Spannungsabfall an dem Segment U
Seg
∆ wird gemessen.
Die Bestimmung des Segmentwiderstands
erfolgen.
R
Seg
kann über zwei verschiedene Ansätze
Der erste Ansatz bestimmt die Segmentwiderstände, indem in einer Messvorrichtung unter bekanntem
Anpressdruck und bekannter Temperatur ein definierter Strom I
Seg, Kal
durch ein einzelnes
Segment geleitet wird. Aus dem resultierenden Spannungsabfall ∆ wird auf den
Widerstand des betreffenden Segments geschlossen.
R
Seg
Seg,
Kal
U
Seg , Kal
∆U
Seg,
Kal
= Gl. 3.2
I
Weichen die Bedingungen im Brennstoffzellenbetrieb von denen in der Messvorrichtung ab,
entstehen aufgrund der Abhängigkeit der Segmentwiderstände vom Anpressdruck und der
Temperatur Messfehler. In den für den Brennstoffzellenbetrieb relevanten Bereichen ist die
Änderung des Materialwiderstands bei Variation des Anpressdrucks < 0,25 % / bar beziehungsweise
bei Variation der Temperatur < 0,2 % / K. Der Anpressdruck über der aktiven Fläche
variiert in den untersuchten Brennstoffzellen um bis zu 4 bar (siehe Kapitel 9.1.1). Dies bedingt
einen Messfehler von weniger als 1 %. Der Fehler durch eine ungleichmäßige Temperatur-