View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

50 3 Messaufbauten und Messmethoden
verteilung liegt bei ungefähr 1 %, wenn eine maximale Temperaturdifferenz von 5 K in der Zelle
unterstellt wird. Messfehler, die auf die Messgenauigkeit des Datenloggers zurückzuführen sind
beziehungsweise durch die stromlosen Messdrähte bedingt sind, werden mit < 1 % abgeschätzt.
Im weiteren Verlauf der Arbeit wird der zweite Ansatz zur Bestimmung der Segmentwiderstände
verwendet. Dieser Ansatz basiert auf der Annahme, dass bei einem definierten Betriebszustand
die Stromdichteverteilung über der aktiven Fläche homogen ist. Um diesen Zustand zu erreichen,
wird die Brennstoffzelle mit reinem, befeuchtetem Sauerstoff betrieben. Um eine möglichst
gleichmäßige Sauerstoffkonzentration über der gesamten aktiven Fläche zu gewährleisten,
wird ein Sauerstoffstöchiometriekoeffizient λ 8 gewählt. Der hohe Durchfluss beugt
ebenfalls einer möglichen Verstopfung der Kanäle durch Produktwasser (Flooding) vor. Um
Diffusionsüberspannungen zu vermeiden, arbeit die Zelle unter geringer Last (< 50 mA/cm²).
Die an den einzelnen Segmenten ermittelten Potentialdifferenzen dienen bei angenommener
homogener Stromdichte der Berechnung der Segmentwiderstände gemäß Gleichung 3.2. Ist
die Annahme einer homogenen Stromdichteverteilung nicht erfüllt, führt dies zu Messfehlern.
Bauteilinhomogenitäten sowie eine ungleichmäßige Anpressdruckverteilung können Ursache
einer inhomogenen Stromdichteverteilung sein. Die Bauteilinhomogenitäten der im Maschinenprozess
hergestellten BPE und GDL sind gering. Ihr Einfluss auf den Messfehler wird mit < 5 %
abgeschätzt. Vernachlässigbar ist der Einfluss der Bauteilinhomogenitäten des expandierten
Graphits auf die Stromdichteverteilung, da der Flächenwiderstand der Segmente um circa
Faktor 50 unter dem der Gesamtzelle liegt. Unter den vorliegenden Betriebsbedingungen wird
der durch eine inhomogene Anpressdruckverteilung hervorgerufene Messfehler mit maximal
5 % abgeschätzt. Weichen die Betriebsbedingungen von denen der Sauerstoffmessung ab,
resultiert die Druck- und Temperaturabhängigkeit des Widerstands der Graphitfolie in den
bereits für den ersten Ansatz beschriebenen Messfehlern.
Aufgrund des lateralen Stromflusses in der Gasdiffusionsschicht und der Bipolarplatte weicht
die an der Position der Messapparatur gemessene Stromdichteverteilung geringfügig von der
an der MEA vorliegenden Verteilung ab. Der laterale Stromfluss in der Messapparatur ist
weitgehend durch die zwischen den Segmenten befindlichen Spalte unterbunden.
Ein vereinfachter Berechnungsansatz dient im Folgenden der Abschätzung der lateral fließenden
Ausgleichsströme. Auf Basis der Ergebnisse werden bevorzugte Anwendungsgebiete für
das Messverfahren identifiziert. Die Berechnungen entstanden bei der Arbeitsgruppe Elektrochemische
Energiewandlung und Speichersystemtechnik des Instituts für Stromrichtertechnik
und Elektrische Antriebe der RWTH Aachen [75]. Zur Simulation der elektrischen Schaltungen
wird das unter MATLAB arbeitende Programmpaket Plecs der Firma Plexim verwendet.
Die in Form eines Widerstandsnetzwerks simulierte Einzelzelle besteht aus jeweils zwei
Endplatten, BPE und GDL, einer katalysatorbeschichteten Membran sowie der Messapparatur.
Die Messapparatur ist zwischen BPE und Endplatte eingebaut. Die Membran ist in dem Netzwerk
durch 5x4 Reihenschaltungen, jeweils bestehend aus Spannungsquelle und elektrischem
Widerstand, dargestellt. Während alle Spannungsquellen die gleiche Spannung aufweisen,
können die einzelnen Widerstände gezielt variiert werden.
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