Entwicklung einer innovativen Methode zur Untersuchung der Stromdichteverteilung sowie der relativen Feuchtigkeit an Brennstoffzellen

Kurzfassung

Die Performance von Brennstoffzellen hängt stark vom Design der Zellen sowie den Be-triebsbedingungen ab. Dabei beeinflussen sich die einzelnen Parameter beim Betrieb gegen-seitig, sodass es nur schwer möglich ist, die Auswirkungen einzelner Parameter getrennt zu untersuchen. Für die Brennstoffzellenforschung wäre es daher sehr hilfreich, wenn der Ein-fluss verschiedener Parameter auf die Stromdichte- und Feuchtigkeitsverteilung ortsaufge-löst gemessen werden könnte. Die Aufgabe dieser Arbeit war daher die Neuentwicklung und Konstruktion einer Forschungszelle mit der erstmalig eine zeitgleiche Messung von Strom-dichte- und Feuchtigkeitsverteilung durchgeführt werden kann. Für die Messung der Stromdichteverteilung wird eine vom DLR entwickelte, segmentierte Messplatte mit hundert Einzelsegmenten verwendet. Eine Sensorplatte mit hundert kapazi-tiven Feuchtigkeitssensoren dient zur Bestimmung der Feuchtigkeitsverteilung. Im ersten Schritt wurde ein Konzept entwickelt, wie die segmentierte Messplatte und die Sensorplatte in eine Forschungszelle integrierten werden können. Die segmentierte Messplatte mit inte-griertem Strömungsfeld bildet die Anodenseite der Forschungszelle. Für die Kathodenseite wurde eine neuartige Platte mit Strömungsfeld entwickelt und konstruiert. Die Besonderheit hierbei ist, dass diese Platte über Bohrungen das Strömungsfeld mit den Feuchtigkeitssenso-ren verbindet. Zwischen dieser Platte und der Sensorplatte wurde eine Teflon-Platte einge-baut, umso die Forschungszelle abzudichten. Den Abschluss bilden Endplatten auf der Ano-den- und Kathodenseite. Diese dienen als Aufnahme für die Gasanschlüsse und leiten die Gase in das Strömungsfeld. Nach Abschluss der Konstruktion wurden die Bauteile gefertigt und anschließend die Forschungszelle montiert. Es wurden Versuche durchgeführt, um die lokale Feuchtigkeitsverteilung in der Zelle zu be-stimmen sowie um die Funktion der Messtechnik unter Betriebsbedingungen zu testen. Bei den ersten Versuchsreihen wurden die zusätzliche Gasfeuchtigkeit sowie die Volumenströme variiert. Die Sensoren reagierten dabei wie erwartet auf die eingestellten Änderungen. Auch mit den durchgeführten Austrocknungsversuchen konnte die Funktion der entwickelten Me-thode bestätigt werden. Zum Abschluss wurde die Reaktionszeit des Systems untersucht. Die ermittelten Werte lagen hierbei in praxistauglichen Bereichen. Zusammenfassend kann nach Abschluss aller Messungen gesagt werden, dass die konstruierte Forschungszelle gut funkti-oniert. Damit wurde gezeigt, dass eine Sensorkombination zur zeitgleichen Messung von Stromdichte- und Feuchtigkeitsverteilung möglich ist. Mit dieser neuentwickelten Methode wurde gleichzeitig eine gute Grundlage geschaffen, die durch zukünftige Arbeiten weiter-entwickelt und optimiert werden kann.