View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

3.5 Stromdichtemessung 51
Jede weitere Zellkomponente wird durch eine Widerstandsmatrix mit jeweils 20 Knotenpunkten
(5x4) modelliert. In Hauptstromrichtung (z-Richtung) sind die Materialwiderstände jeweils zur
Hälfte vor und hinter den Knoten des entsprechenden Bauteils angeordnet. Diese Anordnung
der Widerstände stellt sicher, dass der laterale Stromfluss durch die Bauteilmitte geleitet wird. In
lateraler Richtung verbindet je ein Widerstand in x- und y-Richtung die benachbarten Knoten
eines Bauteils.
Da die simulierte Messzelle im Gegensatz zu der realen Messapparatur keine Spalte zwischen
den einzelnen Segmenten aufweist, liegt bezüglich der auftretenden Querströme eine konservative
Abschätzung vor. Die äußeren Flächen der Endplatten sind vereinfachend als Isopotentialflächen
ausgeführt. Die relevanten Werkstoffkennwerte und Geometriedaten der Zellkomponenten
sind in Tabelle 3.1 aufgelistet.
Tabelle 3.1: Material- und Geometriewerte
GDL BPE Messapparatur Endplatte
Graphit Titan
Leitfähigkeit 5 z=40, xy=80 10000 25 10000 [S/cm]
Bauteildicke (z-Richtung) 0,25 1,8 1 10 [mm]
An Einzelzellen mit unterschiedlich großer aktiver Fläche und unterschiedlichen Bipolarplattenmaterialien
wird der Einfluss der lateral fließenden Ströme auf die Glättung der Stromdichteverteilung
untersucht. Der Einfluss wird mit Hilfe der prozentualen Abweichung der Stromdichte
zwischen MEA und der von der MEA abgewandten Fläche der Messapparatur bewertet. Um
eine inhomogene Stromdichteverteilung an der Membran zu erzeugen, werden zwei der 20
Membranwiderstände doppelt so groß wie die restlichen ausgeführt. Die veränderten Widerstände
befinden sich entsprechend der Bezeichnung in Bild 3.7 auf Höhe von Segment 1 und
Segment 2.
Eine Brennstoffzelle mit Bipolarplatten aus Graphit und einer aktiven Fläche von 252 cm² wird
mit einem Strom von 252 A belastet. Unter Berücksichtigung der orthotropen elektrischen
Materialeigenschaften der Bipolarplatte ergibt sich eine maximale Abweichung der Stromdichte
zwischen MEA und Messapparatur von weniger als 1 %. Bei einer Zelle gleicher Geometrie mit
Bipolarplatten aus Titan zeigt sich dagegen eine Abweichung in der Stromdichteverteilung von
rund 23 %. Bei konstanter mittlerer Stromdichte, aber einer um den Faktor 10 verkleinerten
aktiven Fläche verstärkt sich die Glättung der Stromdichte. In diesem Fall beträgt die maximale
prozentuale Abweichung für die Zelle mit Graphitplatten 4 % und für die Zelle mit Titanplatten
31 %.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass bei allen Messungen aufgrund der lateral fließenden
Ströme eine Glättung der Stromdichteverteilung auftritt. Sind die Dimensionen der Zelle in
xy-Richtung hinreichend groß im Vergleich zu der Bauteildicke ausgeführt und ist die elektrische
Leitfähigkeit der Bauteile gering, sind die Einflüsse der Querströme auf die Stromdichteverteilung
sowie die Rückwirkung der Messapparatur auf das Messobjekt vernachlässigbar. Das
Verfahren eignet sich somit für höherohmige Bipolarplatten aus Graphit, aber nicht für metallische
Bipolarplatten. Die gestellten Anforderungen an die Messung der Stromdichteverteilung
an den in Kapitel 3.1 beschriebenen Zellen mit graphitischen Bipolarplatten erfüllt das vor-