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Zur anpressdruckabhängigen Mes-sung der elektrischen Widerständeeines Compoundmaterials in

Brennstoffzellenstacks wurde im ZBTeine automatisierte Vierpolmessappara-

tur entwickelt. Die Charakterisierung derelektrischen Widerstände erfolgt dabeidurch die Messung des Spannungsab-falls bei einem konstant an der Probe an-gelegten Strom in unterschiedlichen Stu-

Das ZBT (Zentrum für BrennstoffzellenTechnik) in Duisburg

entwickelt hochgefüllte kohlenstoffbasierte Compounds

(Füllstoffanteil >80 Gew.–%), die neben ihren hohen elektrischen

und thermischen Leitfähigkeiten auch eine ausgezeichnete

chemische Beständigkeit aufweisen. Eine anpressdruckabhängige

Messung der elektrischen Widerstände ist dabei zwingend für

eine gesicherte Aussage über die Einsetzbarkeit eines

Compoundmaterials in Brennstoffzellenstacks. Dies wurde

mittels einer Vierpolmessapparatur und National Instruments

Messeinheiten realisiert.

von Christian Heßke/Lars Kühnemann

Automatisierte Vierpolmessapparatur

WIDERSTANDS-BESTIMMUNG

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TECHNOLOGY MSRT

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fen der mechanischen Verpressung desPrüflings. Die Multifunktions-Messkartevom Typ »NI PCI 6230« steuert dabei dieVentile zur Druckluftregelung für die Ein-stellung der verschiedenen Anpress-drücke und die Stromstärkevorgabe.Gleichzeitig erfasst sie die Messwertevon Druck und Spannung in verschiede-nen Messbereichen abhängig vom Prüf-ling. Das in »LabVIEW 8.6« realisierteProgramm sorgt für das automatisierteund präzise Anfahren der verschiedenenAnpressdrücke zwischen 3 und 30 barund die stufenweise Einstellung der Prüf-stromstärke. Die Vorrichtung lässt sichaußer für die Bestimmung der elektri-schen Eigenschaften des Compoundma-terials auch zur elektrischen Charakteri-sierung anderer Materialien einsetzen.Außerdem wurden am ZBT in ähnlicherFunktionsweise weitere Teststände zurBestimmung anderer Materialeigen-schaften, wie die Gaspermeationsratevon Compoundmaterialien oder dasKraft-Weg-Verhalten von Dichtungen,aufgebaut.

MessaufgabeDie eingangs erwähnten Compound-Ma-terialien dienen der Verarbeitung zu Bi-polarplatten (BPP) für PEM-Brennstoff-zellen. Die Charakterisierung vonBipolarplatten hinsichtlich ihrer elektri-schen Leitfähigkeit muss die wesentli-chen Parameter bezüglich Kontaktierungund Betriebstemperaturen berücksichti-gen. Die Messung der Widerstände erfolgt amZBT durch die Messung des Spannungs-abfalls bei einem konstant an die Probeangelegten elektrischen Strom. DieProbe wird zwischen zwei in ihrer An-presskraft durch Druckluft linear steuer-bare Goldpole eingespannt. Auf den Po-len wird zuvor jeweils eine flächigkontaktierende Gasdiffusionslage (GDL),deren Anpresskraft- bzw. Druck abhängi-ger Widerstandsverlauf bekannt ist, ap-pliziert, wodurch die Messstrecke sehrnah an der realen Widerstandskette ineiner Brennstoffzelle orientiert ist. DerStrom wird über die Goldpole über diegesamte Messstrecke geführt und durcheinen Galvanostat konstant gehalten.Durch die Goldpole und die GDL sindmittig, elektrisch isoliert, jeweils zwei fe-dernd gelagerte, zueinander koaxial ste-hende Messspitzen geführt, die selbststromlos sind. Durch diesen Aufbau las-sen sich folgende Widerstandswerte be-stimmen:

Gesamtwiderstand RgesWiderstand der gesamten Messstrecke. Durchgangswiderstand RDWiderstand der Probe (Gesamtwider-stand ohne GDL-Widerstände). Bulkwiderstand RΩWiderstand des Materials, welcher überdie passiv messenden, in die Bipolar-platten eindringenden Messspitzen ge-messen wird. Kontaktwiderstand RKKontaktwiderstand von GDLzu BPP (= RD - R)

Durch geeignete Softwareprogrammiert in LabVIEW8.6 werden verschiedene An-pressdrücke (3–30 bar) ange-fahren. Bei jedem Druck wer-den gemäß den zuerwartenden Widerständenvier verschiedene Ströme an-gelegt und der Spannungs-abfall an den Messpolen so-wie den Messspitzengemessen. Im Anschlusswerden die Widerstände ent-sprechend dem ohmschenGesetz berechnet.

Mechanischer Aufbau WiderstandsmessapparaturDer mechanische Aufbau derPresse besteht aus vier Füh-rungssäulen, die in einer Bo-denplatte und einer Deckel-platte gelagert sind. EineArbeitsplattform ist überFührungsbuchsen auf denFührungssäulen gelagertund ist in vertikaler Richtungbeweglich. Die Messeinheitbesteht aus zwei Hälften, vondenen eine Hälfte fest an der

Deckelplatte und die andere Hälfte aufder beweglichen Arbeitsplattform mon-tiert ist. Während einer Messung wirddie Arbeitsplattform durch einen pneu-matischen Linearzylinder angehoben,wodurch die zwei Hälften des Mess-werkzeugs mit einem definierten Druckzusammenfahren.

Mechanischer Aufbau der Vierpolmessung

Die Messeinheit besteht aus zwei fe-dernd gelagerten Hälften. Für verschie-dene Anpressdrücke wird der ohmscheWiderstand einer zwischen den zweiWerkzeughälften verpressten Probe ent-sprechend oben beschriebenem Verfah-ren ermittelt.

MesstechnikAufgabe der Mess- und Steuerungstech-nik ist zum einen die Ansteuerung deraktiven Elemente der Messaparatur. Dazugehören Druckregler zur Einstellung desAnpressdrucks oder, wie im Falle der Wi-derstandsmessaparatur, die Vorgabeelektrischer Größen wie Strom oderMechanischer Aufbau der Vierpolmessung

Offenes und geschlossenes Messwerkzeug

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Spannung am Galvanostaten bei der Be-stimmung des Widerstands von Probe-körpern. Eine weitere Aufgabe ist dieUmrechnung der Messdaten in relevantecharakteristische Größen des Prüflings,wie spezifische Leitwerte, die in einemMessprotokoll gespeichert werden. Ne-ben der manuellen Vermessung von Pro-bematerialien wird durch die Softwaredas automatische Abfahren verschiede-ner Anpressdrücke und die gleichzeitigeVariation anderer Größen, wie angelegteSpannung oder Strom, ermöglicht. Dieserlaubt es, auf rationelle Weise auchgroße Mengen von Probekörpern zeitop-timiert und unter reproduzierbaren Be-dingungen präzise zu vermessen.Für oben stehende Aufgaben wurde eineMesskarte vom Typ NI PCI-6230 ausge-wählt, da diese aufgrund ihrer flexibelnutzbaren analogen und digitalen Ein-und Ausgänge in der Lage ist, oben ge-nannte Aufgaben zu erfüllen. Des Weite-ren bietet sie sowohl für die analogenEin- als auch Ausgänge eine hohe Ge-nauigkeit und die Möglichkeit des Um-schaltens zwischen verschiedenen Mess-bereichen im laufenden Betrieb. Nebenden analogen Kanälen wurden auch diedigitalen Kanäle genutzt, um z. B. Tür-öffnungssignale zu verarbeiten oder Ma-gnetventile zur Unfallvermeidung zuschalten.

Frontpanel der MesssoftwareDie GUI der Software bietet dem Benut-zer die Möglichkeit, Parameter des Prüf-lings wie Dicke und Fläche sowie, fallsgewünscht, Kommentare zur Messungeinzugeben. Werte für Druck- und Strom-rampen können zum Abfahren eines au-tomatisierten Testprogramms vorgege-ben werden. Der aktuell ausgewählteMessbereich sowie gemessene und be-rechnete Stoffwerte werden dem Benut-zer angezeigt.

ZusammenfassungDie vom ZBT realisierte Vierpolmessappa-ratur bietet die Möglichkeit, automatisiertund rationell Materialien für Brennstoff-zellenanwendungen auf ihre elektrischenEigenschaften unter reproduzierbaren Be-dingungen zu charakterisieren. Des Wei-teren ist es möglich, die Testvorrichtunghardware- und softwareseitig dahin zu mo-difizieren, dass andere Materialeigen-schaften, wie Gaspermeabilität, Kraft-Weg-Verhalten und thermische Leitfähigkeituntersucht werden können.

DI Günther StefanNational Sales Manager Austria

National Instruments

Tel.: +43 662/457990-0Fax: +43 662/457990-19

info.austria@ni.comwww.ni.com

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Frontpanel der Messsoftware

Dieser Beitrag erschien im Begleitband zum Technologie- und Anwenderkongress»Virtuelle Instrumente in der Praxis (VIP)« 2011 von National Instruments. Der nächsteund nun schon 17. VIP-Kongress findet am 24./25.10.2012 in Fürstenfeld bei Münchenstatt, weitere Infos unter www.ni.com/german/vip.

VIP-KONGRESS

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