BI-FIT – Break-In for Fuel Cells Initializing and Testing

Im Projekt »BI-FIT« (Break-In for Fuel Cells Initializing and Testing) untersuchte und optimierte das Fraunhofer ISE den Break-In, also den initialen Betrieb der Brennstoffzelle. Dazu sollte durch wissenschaftliche, belastbare Analysen und Forschungsarbeiten ein grundlegendes Verständnis der ablaufenden Mechanismen geschaffen und neue Break-In-Konzepte entwickelt werden, mit dem Ziel die Dauer des Break-In auf maximal 60 Minuten zu reduzieren. Das Projekt war in den Projektverbund »HyFab« eingegliedert, der für die Automobil- und Zuliefererindustrie eine Know-how-Basis schaffen sollte, um Technologien zur Brennstoffzellenfertigung erforschen zu können.

Als Break-In wird der Prozess bezeichnet, bei dem ein frisch produzierter Brennstoffzellenstapel initial betrieben wird, bis er seine nominale Leistung erreicht und homogene Einzelzellspannungen zeigt. Bisher veröffentlichte Break-In-Methoden benötigen zwischen zwei und acht Stunden zur vollständigen Aktivierung des Brennstoffzellenstapels und nutzen zum Großteil Materialien, die nicht State of the Art sind. Wegen der langen Prozessdauer stellt der Break-In einen erheblichen Engpass beim Markthochlauf der Brennstoffzellenproduktion und somit einen großen Kostenfaktor dar. Ziel des Projekts war die Verkürzung und Vereinfachung des Break-In durch innovative Konzepte. Dabei mussten die Zusammenhänge zwischen der Produktion der entscheidenden Komponente Membranelektrodeneinheit, Stapeldesign und Betriebsbedingungen beim Break-In beachtet und optimal aufeinander abgestimmt werden.

Durch unsere voll automatisierte Charakterisierung von Einzelzellen sind wir in der Lage, entscheidende Mechanismen während des Break-In zu identifizieren. Darauf aufbauend entwickelten wir neuartige Break-In-Prozeduren und analysierten ihren Einfluss auf die Lebensdauer der Brennstoffzelle. Aufgrund unserer hauseigenen Produktion von Brennstoffzellen-Katalysatorschichten konnten wir den Einfluss der Produktionsparameter auf den Break-In untersuchen. Zusätzlich wurde ein Vorbehandlungsschritt in den Produktionsprozess eingefügt, um zu testen, ob dies eine Verkürzung oder sogar den Ersatz des Break-In ermöglicht. All dies erfolgte in enger Absprache mit den Projektpartnern, die den Break-In an Kurzstapeln untersuchten.

Ziel des Projekts war es, zunächst ein grundsätzliches Verständnis des Break-In von State of the Art Materialien zu erhalten. Dazu wurden die wichtigsten Aktivierungsmechanismen, die in der Brennstoffzelle und im Kurzstapel stattfinden, identifiziert. Die Entwicklung innovativer Break-In-Prozeduren und die Untersuchung des Einflusses auf die Lebensdauer waren Hauptziele des Projekts, die zum Markthochlauf der Brennstoffzellenproduktion entscheidend sind. Durch die Vereinfachung des Break-In und die Verkürzung auf maximal 60 Minuten wurde eine Reduzierung der Prozesskosten von ca. fünf Prozent auf ein Prozent der Gesamtherstellungskosten angestrebt.

Das Projekt »BI-FIT« (Break-In for Fuel Cells Initializing and Testing) wurde im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie mit insgesamt 1.015.210,00 Euro durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert. Die Förderrichtlinie wurde von der NOW GmbH koordiniert und durch den Projektträger Jülich (PtJ) umgesetzt.

Ergebnisse:

Im Projekt BI-FIT wurde eine innovative Break-In-Methode entwickelt, die die Leistung einer Brennstoffzelle innerhalb von 45 Minuten maximiert. Damit wurde das Projektziel, eine Aktivierung in weniger als 60 Minuten zu erreichen, erfüllt. Zusätzlich konnte durch Schnellalterungstests gezeigt werden, dass die beschleunigte Break-In Methode zu einer geringeren Degradation führt. Insgesamt liefert BI-FIT eine wissenschaftlich-technische Grundlage für deutlich verkürzte, materialadaptive und lebensdauerschonende Break-In-Verfahren.