Für eine optimale Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellen und möglichst geringe Degradation ist eine homogene elektrochemische Aktivität und Temperatur über den gesamten Bereich der Elektroden erwünscht, da eine inhomogene Stromdichte- und Temperaturverteilung zu einer verringerten Nutzung der Reaktanden oder des Katalysators führt, was sich in einem erniedrigten Wirkungsgrad niederschlägt. Auch die Langzeitstabilität von Zellkomponenten kann durch die ungleichmäßige Verteilung der elektrischen und thermischen Eigenschaften negativ beeinflusst werden. Beim DLR Stuttgart wurden daher sowohl für die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC, DMFC) als auch für die oxidkeramische Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) ortsaufgelöste analytische Messtechniken entwickelt, die Informationen über die lokale Verteilung der elektrischen, chemischen und thermischen Eigenschaften der Zellen liefern.
Ortsaufgelöste Messtechnik für PEFC
Bei der PEFC-Brennstoffzelle wurden weltweit bisher unterschiedliche Messsysteme zur lokalen Messung insbesondere der Stromdichte, aber auch anderer Messgrößen entwickelt, wobei allen die Idee gemeinsam ist, den an der Elektrode erzeugten Strom in elektrisch getrennte Pfade aufzuteilen und separat zu messen. Beim DLR Stuttgart wurde eine segmentierte Bipolarplatte mit integrierten Messwiderständen in Leiterplattentechnik (printed circuit board technology) entwickelt, womit eine große zeitliche und örtliche Auflösung in einer unterschiedlichen Zahl von Segmenten (bis 108) für die Messung der Strom-dichteverteilung möglich ist. Zur ortsaufgelösten Messung der lokalen Stromdichte ist die Bipolarplatte einseitig in elektrisch isolierte Segmente unterteilt, wobei jedes Segment über einen eigenen Messwiderstand mit der Rückseite verbunden ist. Die segmentierte Bipolarplatte hat eine Dicke von nur ca. 4 mm und kann mit einer beliebig großen aktiven Messfläche eingesetzt werden. Vorteilhaft sind aktive Messflächen von 25 cm2 mit 49 Segmenten (Segmentgröße ca. 0,5 cm2) oder von 225 cm2 mit 108 Segmenten (Segmentgröße ca. 2,1 cm2). Die zeitliche Auflösung beträgt ca. 3 s pro Scan bei ausreichender Messgenauigkeit. Die Stromdichteverteilung kann im Betrieb online dargestellt sowie die Daten aufgezeichnet werden.
Die „Messplatine“ kann problemlos auch in PEFC-Stacks integriert werden. Seitlich aus dem Stack herausgeführte Messleitungen ermöglichen die Messung der Stromdichteverteilung über mehrere Zellebenen, sodass lokale Leistungseinbrüche in den einzelnen Zellen, die mit herkömmlichen Messmethoden nicht erkannt werden können, im Betrieb messbar sind. In der weiteren Entwicklung soll in Verbindung mit einer intelligenten Regelung der Betriebsparameter Leistungseinbrüchen entgegengewirkt und somit eine erhöhte Betriebssicherheit und eine Erhöhung der Lebensdauer von Brennstoffzellen erreicht werden.
Ortsaufgelöste Messtechnik für SOFC
Im Gegensatz zur PEFC gibt es auf dem Gebiet der ortsaufgelösten Charakterisierung von SOFC-Brennstoffzellen auf Grund der hohen Betriebstemperatur weltweit bisher nur wenige Entwicklungen. Als einer der ersten wurde beim DLR Stuttgart ein segmentierter Messaufbau für SOFC-Zellen realisiert, mit dem die ortsaufgelöste und integrale Messung des Stroms und der Spannung sowie der zugehörigen Verteilungen, die ortsaufgelöste Messung der Temperatur und die Temperaturverteilung, die lokale und integrale Ermittlung der Impedanz sowie die ortsaufgelöste Bestimmung der Brenngaskonzentrationen entlang des Strömungswegs ermöglicht wird. Dazu werden die Kathode und die Anode der Zelle mit einer aktiven Fläche von 100 cm2 in 16 voneinander galvanisch getrennte Segmente aufgeteilt und durch 16 metallische Segmente der Kathoden- und Anodendeckplatte kontaktiert. Diese Segmente sind mit jeweils einem Draht für den Abgriff der Spannung und des Stroms versehen. Weiterhin sind an den Segmenten Thermoelemente angebracht, die die mittleren Segmenttemperaturen messen. Die Bestimmung der Gaskonzentrationen erfolgt durch Ausleitung der Gase an 16 Stellen der anodischen Grundplatte und Messung mit einem Gaschromatograph. Die beidseitige Segmentierung der Zelle wird bei elektrolytgetragenen Zellen (ESC) angewandt, während bei anoden- (ASC) und metallgetragenen Zellen (MSC) nur die Kathode segmentiert ist.
Mit dem aufgebauten segmentierten Messsystem können realsystemnahe Effekte zeitlich und ortsaufgelöst gemessen und miteinander korreliert werden. Das Messsystem kann somit zur Aufklärung der Brenngasumsetzung entlang des Strömungswegs und zur Identifizierung der damit möglicherweise verbundenen korrosiven Bedingungen eingesetzt werden. Daneben kann es zur Optimierung des Strömungsdesigns und zur Untersuchung möglicher Effekte der Homogenisierung der Leistungsdichte- und Temperaturdichteverteilung herangezogen werden. Auch für die Auslegung von Regelsystemen für die Brennstoffzelle bei unterschiedlichen Betriebsweisen kann die Messtechnik wertvolle Hinweise liefern, z. B bei der Frage nach Temperaturgradienten oder der Möglichkeit der Abführung der Reaktionswärme. Schließlich dienen die gewonnenen ortsaufgelösten Messdaten als Eingangsparameter für Modellrechnungen und Simulationen für eine modellgestützte Optimierung der SOFC.