Stromdichte messen mit DiLiCo current density

Charakterisierung von Materialien, Betriebsstrategien und Alterungseffekten

Einsatzzweck

Stromdichte- und Temperaturverteilung innerhalb der Zelle über der aktiven Zellfläche messen.

  • Analyse von Bipolarplatten (Flow Field Design), Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) und Verpressungkonzepten
  • Bewertung von Betriebsstrategien und Alterungseffekten
  • Lebensdauertest an Brennstoffzellen, Elektrolyseuren und Redox Flow Batterien
  • Kombinierbar mit elektronischer Impendanzspektroskopie (1D-Modell zu 2D-Modell)

Technische Daten

Stromdichte: Bis ± 6 A/cm2
Segmentanzahl Kundenspezifisch
Temperaturbereich Bis 150 °C
Kommunikation: RS232 oder CAN
Sensorfläche: Anpassbar an Ihre Vorgaben

DiLiCo engineering auf der Hannover Messe 2024

Besuchen Sie DiLiCo engineering auf der Hannover Messe 2024. Wir präsentieren Neuheiten zu unseren Produkten DiLiCo cell voltage und DiLiCo current density sowie weitere Neuentwicklungen.
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Eine Auswahl unserer Kunden die bereits die DiLiCo current density Messtechnik einsetzen:

Leistungsbeschreibung

DiLiCo current density besteht aus einer segmentierten Sensorschicht bestehend aus Strom- und Temperatursensoren, einer Elektronik zum Auswerten und Übertragen der Messdaten an den Kundenrechner und optional aus einer Software zur Visualisierung und umfangreichen Auswertung der gemessenen Werte für die Stromdichte (Stromstärke bezogen auf die Fläche) und Temperatur. Die segmentierte Sensorschicht wird zwischen zwei Zellen, ohne direkten Kontakt zu den Gasen und Flüssigkeiten, integriert. Jedes Segment misst die Stromstärke und die Temperatur für einen Teil der aktiven Fläche der Membranen-Elektroden-Einheit. Die Fläche aller Segmente entspricht der Fläche der aktiven Reaktionsfläche der Membran. Als Ergebnis offenbart DiLiCo current density ein zweidimensionales Bild von der Verteilung der Stromdichte und Temperatur über der Fläche der Membran-Elektroden-Einheit.

Die Aktivität der Membran, das Design von Bipolarplatten, Dichtungen und weiteren Komponenten lassen sich somit sowohl im Betrieb aber auch außerhalb des Betriebes bewerten. Im Betrieb lassen sich Zustände wie Gasunterversorgung, thermische Hot Spots und Flutung identifizieren, die Zusammenhänge zwischen Befeuchtungssystemen und der Performance der Zellen direkt messen und visualisieren und die Auswirkungen der eindimensionalen Einprägung von Wechselstromanteilen durch die elektrochemische Impedanzspektroskopie auf die zweidimensionale Messung durch DiLiCo current density näher an der aktiven Fläche der Zelle messen.

DiLiCo current density bietet damit einen wertvollen Einblick in das Innere von Brennstoffzellen, Redox Flow Batterien und Elektrolyseuren. Nutzen Sie die Informationen zur Optimierung der Betriebsführung und Charakterisierung Ihres Systems. Je nach Membranfläche lassen sich Sensorschicht, Segmentanzahl und Verteilung der Segmente individuell nach Ihren Anforderungen anpassen, um eine optimale Beobachtung der Stromdichte und Temperaturverteilung zu erhalten.

Lieferumfang

  • Sensorschicht
  • Auswerteelektronik
  • Netzteil zur externen Stromversorgung
  • Gebrauchsanweisung
  • (optional) Software zur Visualisierung

Anwender

  • Hersteller von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren
  • Hersteller von Stackkomponenten und Bipolarplatten
  • Prüfsysteme, Anlagen im Feldtest und stationäre Energieversorgung
  • Forschungseinrichtungen

Was versteht man unter der Stromdichte?

Galvanische Zellen bzw. elektrochemische Energiewandler, wie Batterien und Brennstoffzellen, generieren im Inneren an den Elektroden Ladungsträger. Diese Ladungsträger bewegen sich und ein elektrischer Strom fließt zum Leiter (Kabel), der zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern dient.

Mit zunehmender Betriebsdauer nimmt jedoch diese Stromstärke immer weiter ab, weil es an den Elektroden und den Elektrolyten zur Alterung kommt. Statt elektrische Energie bereitzustellen, steigen die thermischen Verluste an und erhöht die Erwärmung der Zelle.

Die Stromdichte ist definiert als Stromstärke je Fläche (Querschnittsfläche für die Stromstärke). Die Einheit wird als Ampere je Quadratzentimeter angegeben (A/cm²). Der Hintergrund ist die Vergleichbarkeit von leistungsstarken Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren mit mehreren 100 Ampere pro System und kleineren Zellen mit wenigen Ampere.

Was bedeutet die Stromdichte für den Betrieb von elektrochemischen Energiewandlern?

Die Stromdichte ist ein Maß für die Leistungsfähigkeit von galvanischen Zellen, insbesondere von den Elektroden an Brennstoffzellen, Elektrolyseuren und Redox-Flow-Batterien. Je höher der Wert, umso mehr elektrische Leistung kann die Zelle bereitstellen. Für die Weiterentwicklung von galvanischen Zellen sind die Werte der Stromdichte und Zellspannung, die beiden wesentlichen elektrischen Parameter zur Zustandsbewertung galvanischer Zellen, während des Betriebes.

In der Elektrotechnik bilden die beiden Werte auch die Grundlage elektrotechnischer Modellbeschreibungen von galvanischen Zellen. Für die Forschung und Entwicklung bietet die ortsaufgelöste Stromdichtemessung mit seinen vielen Stromsensoren verteilt über die Elektrodenfläche nicht nur einen Stromdichtewert, sondern in der Fläche (x,y-Ausrichtung) betrachtet, viele Stromdichtewerte, sodass jeder Bereich der Zellfläche zu analysieren ist.

Warum es sinnvoll ist Stromdichten in Brennstoffzellen zu messen?

  • Identifikation partieller Unterversorgung über der Membranfläche, die nicht an der Zellspannung zu erkennen ist.
  • Erkennen von lokalen Alterungsdurchbrüchen in bestimmten Membranbereichen.
  • Zum Vergleich verschiedener Material- und Designkonfigurationen.
  • Bewertung der Kontaktwiderstände von Bipolarplatte, Gasdiffusionsschicht, Dichtung und Membran-Elektroden-Einheit für unterschiedliche Anpressdrücke des Stacks.
  • Aussagen zur Qualität der Gasverteilung von Flow Fields.
  • Optimierung von Betriebsparametern durch Bewertung und Anpassung von Zellkomponenten.
  • Identifikation von Flutungs- und Trocknungszuständen.
  • Datennutzung zur Modellbildung und -erweiterung.

Welche zusätzlichen Erkenntnisse kann die Messung der Stromdichte liefern?

Beispiel: Sukzessive Flutung der Brennstoffzelle innerhalb von 60 Sekunden bei konstanter Stromstärke nach Drehzahlsenkung der H2- Rezirkulationspumpe

Die Stromdichte der Membranbereiche am Medieneingang steigen um den Wert, den die Stromdichte Richtung Medienausgang entlang des Strömungskanals während der Flutung absinkt. Die Membran im Eingangsbereich leistet nun bis zu 600 mA/cm² (vorher 470 mA/cm²) gegenüber zirka 380 mA/cm² am Ausgang (vorher 520 mA/cm²). Ein Zusammenhang zwischen der Drehzahl der Rezirkulationspumpe und den veränderten Feuchtigkeitsverhältnissen in den Ausgangsbereichen der Flow Fields konnte abgeleitet werden.

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