DiLiCo current density for qCf – Lebensdaueranalyse an der Membran

Optimiert für die baltic quickCONNECTfixture. Verfügbar in drei verschiedenen Varianten

Einsatzzweck

Stromdichte- und Temperaturverteilung innerhalb der Zelle über der aktiven Zellfläche messen. Mit der baltic quickCONNECTfixture der Firma balticFuelCells GmbH.

  • 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
Temperatur: Bis 175 °C
Segmentanzahl: Abhängig von Version
Zellspannung 0 bis 2,5 V
Kommunikation: CAN, USB (via Adapter)
Anschlüsse: Bis zu 5 Temperaturfühler

Eine Auswahl unserer Kunden die bereits die DiLiCo current density Messtechnik einsetzen:

Leistungsbeschreibung

Die Produktreihe DiLiCo current density bietet durch ein neues, eigens entwickeltes Messverfahren ein völlig neues Preisniveau für Stromdichte-, Temperatur- und Zellspannungsmessung für das baltic quickCONNECT fixture FC25/100 und FC50/125. Die drei Varianten des Messsystems bieten optimale Vorraussetzungen für den Einsatz in verschiedenen Anwendungsfällen. Egal ob hohe Stromdichten (DiLiCo CUSTOM) oder hohe Temperaturen (DiLiCo HIGH TEMP), für beide Messbedingungen bietet DiLiCo das passende Messsystem. Die dritte Variante (DiLiCo CURR TEMP) bietet die Möglichkeit sowohl die Stromdichte- als auch die Temperaturverteilungen preiswert und präzise zu bestimmen. Alle Messgeräte dieser Produktreihe verfügen zusätzlich über eine integrierte Zellspannungsmessung. Optional können bei jeder Variante des Messsystems bis zu fünf Temperturfühler für die Medienkreisläufe angebunden werden.

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.

Lieferumfang

  • DiLiCo current density Sensorschicht
  • Auswerteelektronik mit Software
  • externes Netzteil
  • Gebrauchsanweisung

Anwender

  • Anwender der baltic quickCONNECT fixture FC25/100 und FC50/125

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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