LDP – Lebensdauerprognose

Schnellalterungstests für PEM-Brennstoffzellen

Laufzeit: Januar 2011 - April 2014
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Kooperationspartner: Zentrum für BrennstofzellenTechnik ZBT, Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), Energie-Forschungszentrum Niedersachsen - EFZN, Technische Universität Berlin - TUB
© Foto Fraunhofer ISE

Abb. 1: Brennstoffzellenlabor für Lebensdaueranalysen.

© Foto Fraunhofer ISE

Abb. 2: Abnahme der Zellspannung in Abhängigkeit von unterschiedlichen Schnellalterungstests bis zu 80 000 Zyklen.

Das Herz einer Brennstoffzelle ist die Membran mit den beidseitig beschichteten Elektroden. Die einzelnen Materialien altern bei verschiedenen Belastungssituationen im Betrieb unterschiedlich schnell. In ausführlichen Langzeitexperimenten haben wir die Degradation der Bestandteile einer Membranelektrodeneinheit in Abhängigkeit der elektrochemischen Belastung analysiert. Dadurch konnten wir quantifizieren, wie sich Belastungen wie Start-Stopp, elektrische Lastsprünge, Ruhezellspannung, Feuchtezyklen etc. auf die Lebensdauer einer Brennstoffzelle auswirken. Dies ist die Voraussetzung, um zukünftig die Lebenserwartung einer Brennstoffzelle in Abhängigkeit ihrer Betriebsbedingungen online abschätzen zu können.

Die Degradationsphänomene einer PEM-Brennstoffzelle zu verstehen, ist entscheidend, um künftig noch stabilere Materialien entwickeln und die Lebensdauer von Brennstoffzellen verlängern zu können. Außerdem ist dieses Verständnis die Grundlage für die Entwicklung von »State-of-Health«- Modellen, die die Lebensdauer eines konkreten Systems online abschätzen. Sie könnten z. B. den Fahrer eines Brennstoffzellenautos auf eine notwendige Wartung aufmerksam machen.

Um die Alterungseffekte in Abhängigkeit von Betriebsereignissen zu quantifizieren, haben wir Schnellalterungsprotokolle aus der wissenschaftlichen Literatur übernommen und experimentell in Langzeitversuchen mit einigen zehntausend Zyklen angewandt. Dadurch konnten wir die zeitabhängige Alterung durch Start-Stopp-Vorgänge, durch die Belastung mit Ruhezellspannung sowie durch Lastsprünge unterschiedlicher Ausprägung bestimmen und diese den einzelnen Materialien einer Membranelektrodeneinheit zuordnen.

Die entscheidenden Parameter, um die Degradation zu beschreiben, waren neben Spannung und Strom die elektrochemische aktive Oberfläche der Elektroden, die Protonenleitfähigkeit der Membran, die Diffusionshemmung für die Reaktanden, die Geschwindigkeit der Wasserstoff-Diffusion durch die Membran sowie die Doppelschichtkapazität der Kathode. Hierzu wurden Zyklovoltammetrie, lineare Voltammetrie und elektrochemische Impedanzspektroskopie angewandt.