Untersuchungen zur Aktivität und Stabilität von Membran-Elektroden-Einheiten für PEM-Brennstoffzellen

Die Entwicklung eines Brennstoffzellensystems fur die Nutzung als Antriebsstrang in einem Fahrzeug ist deutlich komplexer als die eines reinen Batteriefahrzeugs. Dies liegt darin begrundet, dass neben dem elektrochemischen Brennstoffzellenstapel ein verfahrenstechnisches System, das den Brennstoffzellenstapel mit Medien versorgt, entwickelt werden muss. Zusatzlich zu dieser System/Stapel-Kombination wird eine passende Betriebsstrategie benotigt, die festlegt wie die Medien in verschiedenen Betriebssituationen konditioniert werden. Nur wenn diese drei Komponenten optimal aufeinander abgestimmt sind, kann ein Brennstoffzellen-Antriebsstrang die Anforderung an Leistungscharakteristik, Haltbarkeit und Kosten erfullen. Im Gegensatz zu z.B. Verbrennungsmotoren, in denen die Vor- und Nachteile verschiedener Motorenkonzepte bekannt sind und durch Erfahrung und Modellierung abgebildet werden konnen, ist dies fur die Brennstoffzellentechnologie noch nicht in diesem Mas der Fall. Die Eigenschaften eines Designs mussen in kleinem Masstab uber Versuche ermittelt und anschliesend uber Modellierung auf ein System in benotigten Masstab ubertragen werden. Diese Arbeit beschaftigt sich mit der Ermittlung der Eigenschaften der Membran-Elektroden-Einheit (MEA), dem elektrochemischen Zentrum eines Brennstoffzellenstapels, in Bezug auf Alterungs- und Leistungscharakteristik. Die Publikation "Voltage Cycling Induced Losses in Electrochemically Active Surface Area and in Hydrogen/Air-Performance of PEM Fuel Cells" untersucht das Alterungsverhalten von MEA in Abhangigkeit der Betriebsstrategie in einem Fahrzyklus. Mit den hier erhaltenen Erkenntnissen kann fur ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem der Stapel und die Betriebsstrategie besser abgestimmt werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass bei minimiertem Katalysatoreinsatz auch am Lebensende des Fahrzeugs noch eine ausreichende Leistung zur Verfugung steht. Da die Katalysatorbeladung fruh im Entwicklungsprozess eines Brennstoffzellensystems festgelegt werden muss, ist eine gute Vorhersage des Alterungsverhaltens unerlasslich. Die Auslegung der Alterungseigenschaften der MEA konnen erst validiert werden, wenn im Entwicklungsprozess ein Prototyp zur Verfugung steht. Zusatzlich ergibt sich eine Herausforderung in der Korrelation von Laborergebnissen mit Daten aus Versuchen im Fahrzeug. Um diese in isolierten Laborversuchen dargestellten Ergebnisse im realen Fahrzeugeinsatz zu validieren, ist es notig ein Verfahren zu entwickeln, um die elektrochmischen Katalysatoreigenschaften im Fahrzeug zu messen. Hierzu wird in der Publikation"Improved electrochemical in-situ characterization of polymer electrolyte membrane fuel cell stacks" ein Verfahren vorgestellt, mit dem die lebensdauerrelevanten Eigenschaften analog zu den Versuchen der ersten Publikation im Fahrzeug, z.B. wahrend einer Wartung in einer Werkstatt zuganglich sind. Ist der Einfluss der Betriebsstrategie auf die Alterung der MEA verstanden, zeigen sich weitere Einflusse durch die aufwendige Medienfuhrung im Fahrzeug. Hier ergeben sich Betriebszustande, die in der Laborumgebung nicht existieren oder nur in kurzen Zeitraumen auftreten, die in Studien auf ihren Einfluss untersucht werden mussen. Eine Herausforderung ist die Vermeidung der Wasserstoff-Emission bei bestimmten Betriebszustanden eines Brennstoffzellensystems. Hierzu wurden in der Publikation "Impact of Hydrogen Bleeding on the Cathode Side of a PEM Fuel Cell" die Auswirkungen einer Einleitung von Wasserstoff aus dem Anodenabgas in die Eingangsluft auf den Kathodenseite untersucht. Mit diesen Ergebnissen konnen Betriebsstrategie und Medienversorgung zukunftiger System effizienter ausgelegt werden, da auf eine betriebszustandsabhangige zusatzliche Verdunnung der Abgase verzichtet werden kann. Die Ergebnisse und Erkenntnisse dieser Arbeit helfen die Auslegung, insbesondere das Zusammenspiel zwischen Alterung und Betriebsstrategie, zu optimieren und so ein Brennstoffzellensystem zielgerichtet auf die geforderten Eigenschaften zu entwickeln.