GECKO fuel cell – German-Canadian Co-operation on Kinetics and mass transport Optimization in PEM fuel cells

Ortsaufgelöste Charakterisierung automobiler Brennstoffzellen

Laufzeit: April 2013 - März 2016
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Kooperationspartner: Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, Pfinztal; Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK), Universität Freiburg; Max-Planck-Institut für Dynamik komplexter technischer Systeme (MPI-DktS), Madgeburg; Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung (ZSW), Ulm
Webseite: www.gecko-fuelcell.com
© Fraunhofer ISE

Auf Leiterplattentechnologie-basierte Stromabnehmerplatte kontaktiert mittels Federkontaktstiften eine segmentierte graphitische Gasverteilerplatte.

© Fraunhofer ISE

Stromdichteverteilung (links) und lokal gemessener Hochfrequenzwiderstand (rechts) einer 200 cm2 großen Zelle.

Nachdem die Brennstoffzellen-Technologie ihr Potenzial durch zahlreiche Testfahrzeuge vieler internationaler Automobilkonzerne im jahrelangen Einsatz bewiesen hat, ist die Kommerzialisierung in Serienfahrzeugen bis 2020 geplant. Um die Kostenziele zu erreichen, müssen jedoch noch einige technologische Durchbrüche realisiert werden. Hierzu ist ein detailliertes Verständnis der stark gekoppelten elektrochemischen und thermodynamischen Prozesse in einer Brennstoffzelle erforderlich. Im Forschungsvorhaben »GECKO« bringen fünf führende Institutionen ihre Expertise ein, um die komplexen Vorgänge – wie Zweiphasentransport oder Degradationsprozesse – zu untersuchen.

Das Fraunhofer ISE analysiert mit Hilfe segmentierter Brennstoffzellen und eines einzigartigen Mehrkanalcharakterisierungssystems auftretende Inhomogenitäten in der Zellebene sowohl im stationären als auch im dynamischen Betrieb. Daraus werden Optimierungspotenziale für Design, Materialauswahl und Betriebsstrategie abgeleitet.

Automobile Einzelzellen haben Zellflächen bis zu 400 cm². Bei Stromdichten bis zu 3 A/cm² ist über die Zellfläche eine erhebliche Abreicherung der Reaktionsgase bei gleichzeitig zunehmender Feuchte die Folge. Daraus können Inhomogenitäten resultieren, die die Leistung oder Degradation in großem Maß beeinflussen können. Um den Betriebszustand der Zelle bis zu einem Gesamtstrom von 790 A lokal zu charakterisieren, verfügen wir über eine Anlage mit 68 synchron arbeitenden Potentiostaten. Sie ermöglicht uns, ortsaufgelöst sowohl die Stromproduktion als auch die elektrochemische Impedanz bei unterschiedlichen Frequenzen zu messen.

Die ortsaufgelöste Charakterisierung in Kombination mit Modellierungsarbeiten auf Zellebene ermöglicht uns, die komplexe Interaktion der Prozesse basierend auf Inhomogenitäten zu entschlüsseln. So können wir die Verlustmechnismen bezüglich deren Zeitkonstanten separieren. Die daraus entstehenden Erkenntnisse auf der Zellebene werden im Projekt »GECKO« auf die Stack-Ebene transferiert und mit zeitgleich gemessenen Einzelzellimpedanzspektren am Stack korreliert.