View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

52 3 Messaufbauten und Messmethoden
liegende Messverfahren. Der Aufwand einer Segmentierung der Diffusionsschichten und Bipolarplatten
der Zelle scheint nicht gerechtfertigt.
3.5.2 Magnetotomographie
Die noch in der Entwicklungsphase befindliche Magnetotomographie stellt das derzeit einzige
bekannte Verfahren zur nicht-invasiven Bestimmung der Stromdichteverteilung in Brennstoffzellen
dar. Eingriffe in die Brennstoffzellen sind ebenso nicht erforderlich wie eine Segmentierung
der Zellen. Somit muss bei der Magnetotomographie im Gegensatz zu den invasiven Verfahren
nicht durch den Einbau einer Messapparatur im Vorfeld festgelegt werden, an welcher
Position im Zellstapel die Stromdichteverteilung ermittelt werden soll. Diese Eigenschaften
machen das Verfahren gerade für den Bereich der Qualitätssicherung in der Produktion
interessant.
Die Magnetotomographie basiert auf der Messung der durch den Stromfluss in der Brennstoffzelle
induzierten magnetischen Flussdichte. Die Messung der Flussdichte erfolgt außerhalb der
Brennstoffzelle. Das Messprinzip ist auf das Messobjekt rückwirkungsfrei und erlaubt, die
Stromdichteverteilung dreidimensional in Einzelzellen und Zellstapeln zu visualisieren. Der derzeitige
Entwicklungsstand des Verfahrens erlaubt ausschließlich Messungen an Brennstoffzellen,
die keine magnetisierbaren Werkstoffe enthalten. Zellstapel mit Bipolarplatten aus magnetisierbaren
Metallen, zu denen auch Edelstahlplatten zählen, können demnach nicht untersucht
werden. Messungen instationärer Betriebszustände sind mit dem in Kapitel 3.2.4 vorgestellten
Messstand aufgrund der langen Messzeit von circa 15 Minuten pro Messung nicht
möglich. In einem nächsten Entwicklungsschritt kann die Messzeit beispielsweise durch eine
erhöhte Anzahl an Messsensoren entscheidend verringert werden, so dass auch Untersuchungen
instationärer Zustände möglich erscheinen.
Die physikalisch-mathematischen Grundlagen der Stromdichteberechnung werden im Folgenden
erläutert. Aus Gründen der besseren Verständlichkeit wird für die Erläuterungen die in
realen Brennstoffzellen vorherrschende dreidimensionale Problemstellung vereinfachend auf
den zweidimensionalen Fall reduziert, indem die Stromleiter als unendlich lang und gerade
angenommen werden.
Die Maxwell-Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen der Stromdichte i und der
magnetischen Feldstärke H . Das Integral der magnetischen Feldstärke ist längs einer geschlossenen
Umlauflinie gleich dem Integral der Stromdichte über die Fläche innerhalb der
geschlossenen Linie
H ⋅ ds = i ⋅ dA
∫
∫
A
Gl. 3.3
Für einen einzelnen konzentrierten Stromleiter ergibt sich durch Integration der Gleichung 3.3
entlang einer kreisförmigen Feldlinie mit dem Abstand r vom Mittelpunkt des Leiters der Betrag
der Feldstärke zu