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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Ortsaufgelöste Analysemethoden

Ortsaufgelöste Untersuchungsmethoden sind wichtig, um die Auswirkungen inhomogener Medienverteilung auf die Belastungen durch Stromdichte, Impedanz und Temperatur zu ermitteln.

Durch die Kenntnis der Wirkungszusammenhänge sollen die Leistungsfähigkeit erhöht und Degradation verringert werden:

 

Segmentierte Zellentechnologie (SCT)

Die SCT ist eine elektrochemische Methode, bei der die Strom- und Impedanzverteilung über die aktive Fläche einer PEM-Brennstoffzelle gemessen werden kann. Die Methode basiert auf einer Platinentechnologie mit aktiver Kompensationsschaltung. Das Verfahren zeichnet sich durch ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis und einen großen Frequenzbereich aus. Dies ermöglicht neben der ortsaufgelösten Bestimmung von Stromdichten auch die Messung lokaler Impedanzen. Das Messergebnis der Stromverteilung beim Betrieb einer Doppelmäanderzelle bei unterschiedlichen Luftzahlen zeigen die beiden Abbildungen. Durch die Halbierung des Luftstroms kommt es am Luftausgang zu einer Sauerstoffverarmung und einem Abfall des lokalen Stroms.

 

Transportprozesse

Stromverteilung mit einer Doppelmäanderzelle; T = 70 °C, j = 200 mA/cm²;

λMeOH = λair = 4 (links), λMeOH = 4, λair = 2 (rechts)

 

Magnetotomographie (MT)

Die Magnetotomographie ist eine in der Entwicklung befindliche, nicht-invasive Tech­nik, um die Stromdichteverteilung in einer Brennstoffzelle zu messen. Die Methode basiert auf Mes­sungen des äußeren Magnetfelds, dass durch den Stromfluss im Inneren erzeugt wird. Das Magnetfeld wird mit zwei dreiachsigen magnetoresistiven Sensoren erfasst und als „Fingerabdruck“ der Stromverteilung verwendet. Die Beziehung zwischen Magnetfelddaten und Stromdichte wird im Allgemeinen durch die Maxwell-Gleichungen beschrieben. Die Rekonstruktion der Stromdichte aus dem Magnetfeld wird dabei mit Hilfe des Biot-Savart-Operators und der Tikhonov-Regularisierung zur Stabilisierung vorgenommen.

Der Vorteil der Magnetotomographie besteht darin, dass die Messung berührungslos erfolgt, das heißt, es werden keine Messinstrumente in die Brennstoffzelle eingebracht, was eine deutliche Reduktion des Messaufwands bedeutet und die Brennstoffzellenprozesse nicht stört.

 

Ortsaufgelöste Massenspektrometrie (SRMS)

Die ortsaufgelöste Massenspektrometrie basiert auf einer heterogenen, nichtelektrochemischen Reaktion eines geeigneten Gases mit dem Katalysator in den Elektrodenschichten und der Analyse des Produktgases durch ein Massenspektrometer. Für Elektroden mit Platinkataly­sator lässt sich zum Beispiel die Oxidation von Methanol zu Kohlendioxid ausnutzen. Dabei wird mit Hilfe einer Positioniereinheit eine dop­pel­wandige Kapillare in x/y-Richtung über die Fläche geführt und in z-Richtung der Abstand zur Elektrodenoberfläche eingestellt. Im inneren Teil der Kapillare wird das reaktive Gasgemisch zugeführt, im äußeren Teil das Produktgas zum Massenspektrometer abgeführt. Auf diese Weise kann automatisiert die Verteilung der lokalen Aktivität über eine Elektrodenfläche bestimmt und lokale Alterungseffekte detektiert werden.


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