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Die Hauptfunktion eines Brennstoffzellen-Potentiostaten besteht darin, den elektrischen Strom und die Spannung einer Brennstoffzelle im Betrieb zu messen und darüber hinaus das an die Zelle angelegte elektrische Potenzial präzise zu steuern. Dieses Gerät ist daher eine tragende Säule bei der Prüfung von Brennstoffzellen, aber auch von Steuerungssystemen, die im realen Betrieb eingesetzt werden.
Der Brennstoffzellen-Potentiostat ermöglicht es Forschern und Ingenieuren, verschiedene Brennstoffzellen-Testlasten unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu untersuchen, um so das Design der Brennstoffzelle zu optimieren.
Der Potentiostat ist ein wichtiger Bestandteil eines Brennstoffzellenprüfstandes und dient zur Kontrolle des an die Brennstoffzelle angelegten elektrischen Potentials, während der Galvanostat zur Kontrolle des an die Brennstoffzelle angelegten elektrischen Stroms verwendet wird. Beide Instrumente werden zur Untersuchung der Leistung von Brennstoffzellen eingesetzt, arbeiten jedoch in unterschiedlichen Modi. Um die Energiedichte einer Brennstoffzelle messen zu können, müssen Potentiostatkonstruktionen integriert und entsprechend angepasst werden. Dies geschieht häufig durch die Kombination von Potentiostat und Galvanostat in einem einzigen Gerät. Die Energiedichte der Brennstoffzelle wird dann aus der Eingabe von Potenzial und Strom in Echtzeit abgeleitet.
In einer Brennstoffzelle können zwei Modi geregelt werden: der kathodische Modus und der anodische Modus. Der kathodische Modus bezieht sich auf die Reduktionsreaktion, die an der Kathode stattfindet, während der anodische Modus die Oxidationsreaktion bezeichnet, die an der Anode stattfindet. Durch die Steuerung des an die Brennstoffzelle angelegten elektrischen Potenzials kann der Potentiostat die Geschwindigkeit dieser Reaktionen regulieren und ihre Auswirkungen auf die Gesamtleistung der Brennstoffzelle untersuchen.
Funktionsweisen eines Brennstoffzellen-Potentiostat
Es gibt verschiedene Funktionsmodi, in denen ein Potentiostat arbeiten kann, darunter Leerlaufspannung (OCV), Null-Widerstands-Amperometrie (ZRA) und elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS).
- Im OCV-Modus misst der Potentiostat die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle, d. h. die Spannung über der Zelle, wenn kein Strom fließt. Dies kann Aufschluss über die Gesamtleistung der Zelle und die Effizienz der in ihr ablaufenden Reaktionen geben.
- Im ZRA-Modus misst der Potentiostat den elektrischen Strom, der durch die Brennstoffzelle fließt, während das elektrische Potenzial in einem weiten Bereich variiert wird. Dies kann Aufschluss über die Geschwindigkeit der an der Anode und Kathode ablaufenden Reaktionen und den Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle geben.
- Im EIS-Modus legt der Potentiostat ein kleines Wechselstromsignal an die Brennstoffzelle an und misst die elektrische Impedanz der Zelle als Funktion der Frequenz. Dies kann Informationen über die elektrischen und chemischen Vorgänge in der Zelle liefern und den Forschern helfen, Probleme oder Einschränkungen in der Konstruktion der Zelle zu erkennen.
Wichtige Spezifikationen
Bei der Auswahl eines Potentiostaten für Brennstoffzellenanwendungen sind mehrere wichtige Spezifikationen zu beachten. Dazu gehören die Genauigkeit und Präzision der Messungen, der Bereich der elektrischen Potenziale und Ströme, den das Gerät verarbeiten kann, die Geschwindigkeit und Auflösung der Messungen sowie die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit des Geräts. Weitere wichtige Faktoren, die es zu berücksichtigen gilt, sind die Benutzeroberfläche und die Softwarefunktionen, die Verfügbarkeit von technischem Support und Schulungen sowie die Gesamtkosten des Geräts.
Messung der Impedanz von Brennstoffzellen
Um zu verstehen, wie eine Brennstoffzelle funktioniert und wie die Impedanz mit einer elektrischen Last gemessen werden kann, ist es hilfreich, die grundlegenden Prinzipien des Brennstoffzellenbetriebs zu verstehen.
In einer Brennstoffzelle sind zwei Elektroden (die Anode und die Kathode) durch einen Elektrolyten getrennt. Ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff oder Methanol, wird der Anode zugeführt, wo er eine Oxidationsreaktion durchläuft, bei der Protonen und Elektronen entstehen. Die Protonen werden durch den Elektrolyten zur Kathode transportiert, wo sie mit Sauerstoff und Elektronen reagieren und Wasser erzeugen.
Die Protonen und Elektronen, die an der Anode erzeugt werden, fließen durch einen externen Stromkreis und erzeugen einen elektrischen Strom. Dieser Strom kann mit einem Potentiostaten gemessen werden, der ein kontrolliertes elektrisches Potenzial an die Brennstoffzelle anlegt und den daraus resultierenden Strom misst.
Die Impedanz ist ein Maß für den Widerstand gegen den Stromfluss in einem Stromkreis. Sie kann mit einer elektrischen Last gemessen werden, d. h. mit einem Gerät, das elektrische Energie verbraucht und einen messbaren Strom und eine messbare Spannung erzeugt.
Um die Impedanz einer Brennstoffzelle mit Hilfe einer elektrischen Last zu messen, legt der Potentiostat ein kleines Wechselstromsignal an die Zelle an und misst den resultierenden Strom und die Spannung. Die Impedanz der Brennstoffzelle wird dann aus dem Verhältnis von Spannung und Strom berechnet. Dies kann wertvolle Informationen über die Leistung der Brennstoffzelle und die Effizienz der in ihr ablaufenden Reaktionen liefern. Ein integrierter Potentiostat kann diese Daten während des Betriebs laufend an den Brennstoffzellen-Controller liefern.
Welcher Potenzialbereich für Brennstoffzellenanwendungen gewählt werden sollte, hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung und dem Typ der verwendeten Brennstoffzelle ab. Im Allgemeinen sind Potentiostaten, die einen breiten Bereich von Potentialen verarbeiten können, vielseitiger und können in einem größeren Bereich von Anwendungen eingesetzt werden.
Zusammenfassung
Der Brennstoffzellen-Potentiostat ist ein wichtiger Bestandteil der Instrumentierung, die zur Untersuchung und Optimierung der Leistung von Brennstoffzellen benötigt wird. Sie ermöglichen es Forschern und Ingenieuren, das an die Zelle angelegte elektrische Potenzial zu kontrollieren und zu messen und die daraus resultierenden Reaktionen und Prozesse innerhalb der Zelle zu untersuchen. Bei der Auswahl eines Potentiostaten für Brennstoffzellenanwendungen ist es wichtig, Schlüsselspezifikationen wie Genauigkeit, Reichweite und Zuverlässigkeit sowie andere Faktoren wie Benutzeroberfläche und Kosten zu berücksichtigen.
Ein kombinierter Brennstoffzellen-Potentiostat/Galvanostat wird in der Regel in Brennstoffzellen-Testsysteme integriert, die eine Vielzahl von Überwachungsgeräten in einem einzigen kostengünstigen Tischgerät umfassen.
Letzte Aktualisierung: 04.04.2023