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Magnetfeldmessungen machen Stromflüsse in Brennstoffzellen sichtbar
Unsichtbarer Stromfluss: Forschern ist es gelungen, die Stromverteilung in einer laufenden Brennstoffzelle aus Magnetfeldmessungen abzuleiten, ohne die Zelle dafür umzubauen. Das Verfahren bildet typische Muster von Überflutung und Austrocknung ab und könnte damit eine berührungslose Überwachung im Betrieb ermöglichen. Noch muss das Rechenmodell für wechselnde Lasten und den späteren Einsatz unter realen Betriebsbedingungen robuster werden.
Tsukuba (Japan). Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen erzeugen Strom direkt aus der elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff, ohne dafür einen Verbrennungsprozess zu benötigen. Dabei spielt Wasser eine heikle Doppelrolle: Sammelt sich zu viel davon in der Zelle, kann es Gaswege blockieren, trocknet die Membran dagegen aus, verschlechtern sich ihre Betriebsbedingungen. Beides kann die Stromverteilung ungleichmäßig machen und damit Leistung und Material lokal belasten.
Wie der Strom innerhalb einer arbeitenden Brennstoffzelle verteilt ist, lässt sich jedoch nur schwer erfassen. Direkte Messverfahren verwenden häufig eingebaute Leiterplatten oder segmentierte Stromabnehmer und verändern damit gerade die Zelle, die untersucht werden soll. Bildgebende Verfahren können Wasser sichtbar machen, benötigen aber aufwendige Spezialtechnik, weshalb eine berührungslose Messung des Magnetfelds einen anderen Zugang eröffnen könnte.
Forscher der University of Tsukuba (UT) um Yutaro Akimoto haben nun experimentell geprüft, wie genau sich die tatsächliche Stromverteilung aus Magnetfeldmessungen rekonstruieren lässt. Dafür verwendeten sie eine spezielle Einzelzelle, deren Stromabnehmer auf der Kathodenseite in neun Bereiche geteilt war. Die direkt gemessenen Ströme dieser neun Segmente dienten als Referenz für die magnetische Rekonstruktion.
Parallel dazu erfasste das Team das Magnetfeld an neun Positionen, während die Brennstoffzelle unter den jeweiligen Bedingungen arbeitete. Aus diesen Messwerten berechneten die Wissenschaftler mit dem Biot-Savart-Gesetz und einer Rechenmethode, die nur nichtnegative Lösungen zulässt, welche Ströme in den einzelnen Bereichen geflossen sein mussten. Die Versuche umfassten einen normalen Betriebszustand sowie gezielt erzeugte Überflutung und Austrocknung.
Entscheidend war dabei der Startwert der Rechnung. Wurde die gesamte Last zunächst gleichmäßig auf die neun Bereiche verteilt und dieser Wert als Ausgangspunkt verwendet, stimmte die rekonstruierte Verteilung deutlich besser mit den direkt gemessenen Strömen überein. Das zeigt zugleich, wie empfindlich die Rückrechnung auf den gewählten Anfangswert reagiert.
Auch die räumlichen Muster der beiden Störfälle ließen sich in den rekonstruierten Stromverteilungen wiederfinden. Bei Überflutung war der Strom auf der Seite des Lufteinlasses, also stromaufwärts, höher als weiter hinten in der Zelle. Die Messungen passen dazu, dass sich erzeugtes Wasser eher im nachgelagerten Bereich sammelt und dort die elektrochemische Reaktion behindert.
Bei Austrocknung zeigte sich das umgekehrte Bild: Hier war der rekonstruierte Strom auf der Seite des Luftauslasses, also stromabwärts, größer. Damit konnte die Methode nicht nur eine ungleichmäßige Verteilung anzeigen, sondern im Laborversuch auch charakteristische Unterschiede zwischen zwei wichtigen Betriebsstörungen abbilden.
Für die Validierung brauchten die Forscher noch die speziell segmentierte Zelle, weil nur so direkte Vergleichswerte für jeden Bereich vorlagen. Das eigentliche Diagnoseprinzip beruht dagegen auf dem Magnetfeld und soll ohne eine solche Veränderung der Brennstoffzelle auskommen. Dadurch könnte die Stromverteilung künftig während des Betriebs berührungslos verfolgt werden, ohne eine Strommessplatine in die Zelle einzubauen.
Noch ist das Verfahren jedoch kein fertiges Diagnosesystem für reale Brennstoffzellen unter wechselnden Betriebsbedingungen. Die Forscher wollen das Schätzmodell weiterentwickeln, die numerische Stabilität der Rückrechnung v