ICON – Ortsaufgelöste Charakterisierung automobiler Einzelzellen

Strategic Research Co-operation on Sustainable Energy Technologies: International Cooperation and Networking

Laufzeit: Januar 2013 - Dezember 2015
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Fraunhofer-Eigenforschungsprojekt
Kooperationspartner: Clean Energy Research Center of the University of British Columbia, Vancouver; Automotive Fuel Cell Cooperation (Daimler AG)
Projektfokus:
© Foto Fraunhofer ISE

Abb. 1: 68-Kanal-Impedanz-Anlage.

© Foto Fraunhofer ISE

Abb. 2: Teststand mit Mehrkanal-Impedanz-Anlage. ©Fraunhofer ISE

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Abb. 3: Charakterisierung eines automobilen Brennstoffzellen-Stacks hinsichtlich der Einzelzell-Impedanzspektren.

Automobile Brennstoffzellen haben vergleichsweise große Zellflächen und werden bei hohen Stromdichten bis zu 3 A/cm² betrieben. Dies hat große Inhomogenitäten innerhalb der aktiven Fläche zur Folge, bedingt durch die Abreicherung der Reaktionsgase sowie die Temperatur- und Feuchtezunahme aufgrund der elektrochemischen Reaktion. Um diese lokalen Effekte wissenschaftlich zu charakterisieren, setzen wir eine weltweit einzigartige Mehrkanal-Impedanz-Anlage und segmentierte Brennstoffzellen ein. Des Weiteren untersuchen wir automobile Brennstoffzellen-Short-Stacks in der Klimakammer, wobei wir simultan das Verhalten aller Einzelzellen mit Hilfe der elektrochemischen Impedanzspektroskopie überwachen.

In unserer Kooperation mit der Automotive Fuel Cell Corporation AFCC in Vancouver, die im Daimler-Konzern die Entwicklung von Brennstoffzellen verantwortet, haben wir eine Einzelzelle der 4. Generation von 2009 in 68 elektrisch voneinander isolierte Segmente unterteilt. In jedem Segment können wir gleichzeitig im potentiostatischen Betrieb den Strom messen und elektrochemische Impedanzspektren aufnehmen. Damit untersuchen wir den lokalen Betriebszustand in Abhängigkeit von der Spannung, der Stöchiometrie und der Feuchte der Reaktionsgase sowie der Betriebstemperatur jeweils bei Start, Stopp und Lastsprüngen. Die Ergebnisse werden für die Modellvalidierung, die Optimierung der Betriebsführung und konstruktive Verbesserungen genutzt.

Gleichzeitig charakterisieren wir einen Brennstoffzellen-Short-Stack der gleichen Generation in unserer begehbaren Klimakammer. Insbesondere können wir die Einzelzellen elektrisch kontaktieren und nicht nur die Einzelzellspannung erfassen, sondern auch simultan an allen Zellen die elektrochemischen Impedanzspektren messen. Ziel der Versuche ist, die Effekte auf Einzelzellebene im stationären sowie dynamischen Betrieb in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen eines Stacks zu analysieren. Darüber hinaus ermöglicht uns der Vergleich der Ergebnisse von segmentierter Einzelzelle und Stack ein besseres Verständnis der Zusammenhänge zwischen lokalen Phänomenen und dem Betriebszustand des kompletten Stacks.