View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

4.3 Stromdichtemessung 69
Sind die Reaktandengase am Zelleintritt nicht vollständig gesättigt, kann eine Strömungsführung
der Fluide im Gegenstrombetrieb ein verbessertes Wassermanagement in der Zelle bedingen.
Aufgrund unterschiedlicher Wasserpartialdrücke entlang der Strömungsstrukturen beider
Elektroden entstehen lokale Wasserkonzentrationsgradienten zwischen Anode und Kathode.
Die Konzentrationsgradienten erlauben neben dem osmotischen Wassertransport auch Diffusion
von Wasser durch die Membran. Durch einen Nettowassertransfer durch die Membran
können sich die Gase gegenseitig intern befeuchten.
Bei der vorliegenden Mäanderströmungsstruktur erweist sich eine Gegenstrom-Betriebsführung
als nicht vorteilhaft. Zum einen ist die Leistungssteigerung im Vergleich zum Gleichstrom-
Betrieb vernachlässigbar, zum anderen gestaltet sich der Austrag von flüssigem Wasser entgegen
der Schwerkraft bei dem von unten nach oben strömenden Gas als problematisch. Dies
äußert sich in einem instabilen Betriebsverhalten der Zelle. Aus diesen Gründen wird bei allen
Messungen der Gleichstrom-Betrieb mit von oben nach unten strömenden Fluiden gewählt.
Die Experimente zeigen, dass der Einfluss der Reaktandenbefeuchtung auf die Gesamtleistung
der Zellen in den untersuchten Bereichen als gering einzustufen ist. Ungeklärt bleibt, ob die bei
geringer Reaktandenbefeuchtung verringerte Zellleistung aus einer auf das Gebiet des Reaktandeneintritts
beschränkten Verringerung der Membranleitfähigkeit resultiert und dort zu einer
beschleunigten Alterung und Schädigung der Membran führt. Ob die Auswirkungen einer verringerten
Reaktandenbefeuchtung in der Zelle lokal beschränkt sind, wird im folgenden Kapitel
mit Hilfe der Messung der Stromdichteverteilung in den Zellen untersucht.
4.3 Stromdichtemessung
Die in diesem Kapitel vorgestellten Stromdichtemessungen erfolgen ausschließlich an Einzelzellen.
Die Messungen dienen der Ermittlung der Stromdichteverteilung in stationären Betriebspunkten.
Einfahrvorgänge oder Lastwechseländerungen werden nicht zeitlich aufgelöst.
O 2
4.3.1 Stromdichtemessung mit Hilfe des passiven Widerstandsnetzwerks
Die Messapparatur ist in der Einzelzelle zwischen Endplatte und kathodenseitigem Bipolarplattenelement
angeordnet. Die anoden- und kathodenseitigen Bipolarplattenelemente sind jeweils
wassergekühlt. Die Bestimmung der 20 Segmentwiderstände R
Seg , i
erfolgt entsprechend Kapitel
3.5.1 unter der Annahme, dass bei einem definierten Betriebszustand die Stromdichteverteilung
über der aktiven Fläche homogen ist. Die diesem Zustand zugrunde liegenden Betriebsbedingungen
sehen einen Betrieb der Zelle mit reinem und vollständig befeuchteten Sauerstoff
auf der Kathodenseite bei einer Betriebstemperatur von 70 °C und einem Druck von 2 bar vor.
Um eine nahezu konstante Sauerstoffkonzentration in der gesamten Zelle sicherzustellen beträgt
der Durchfluss λ =9. Die Zelle ist unter diesen Betriebsbedingungen mit einem Gesamtstrom
von 10 A belastet.