SoHMuSDaSS – State-of-Health-Modellierung und Simulation sowie Diagnose an Brennstoffzellen, -stapeln und -systemen

Brennstoffzellen sind komplexe elektrochemische Energiewandler die im Betrieb unterschiedlichsten Einflüssen ausgesetzt sind. Die Untersuchung von Alterungseffekten in Abhängigkeit der Betriebsstrategien von der Komponenten- bis zur Systemebene ist Ziel des Projekts.

Automobile Brennstoffzellen sind einem sehr dynamischen Betrieb ausgesetzt. Daher müssen diese elektrochemischen Energiewandler unter anderem viele Potenzialsprünge aushalten. Je nach Katalysatorart und –menge sowie Aufbau der Katalysatorschicht und Betriebsweise hinsichtlich Gasversorgung, Feuchte und Lastpunkt altern die Komponenten unterschiedlich. Diese Alterung wurde in Abhängigkeit der Betriebsbedingung intensiv untersucht. Hierzu wurden Charakterisierungsverfahren wie Polarisationskennlinien, Impedanzspektroskopie, Zyklovoltammetrie und Grenzstromdichtemessungen eingesetzt.

Als ein Ergebnis zeigte sich, dass Unterschiede im Herstellverfahren bzw. der Materialzusammensetzung analysiert werden können. Grafik 2 zeigt, dass die Katalysatorschichten von zwei Herstellern klar unterschieden werden können hinsichtlich ihrer Diffusionseigenschaften, obwohl ein Hersteller zwei unterschiedliche Katalysatorsysteme mit unterschiedlichen Platinbeladungen einsetzt.

Die Alterungsprozesse werden modelliert, um eine Aussage über die Lebensdauer von Brennstoffzellen in Abhängigkeit von ihrer Betriebsweise zu treffen. Im Modell werden die wesentlichen Degradationseffekte wie Platinauflösung und -redeposition, Platinagglomeration, Platinoxidbildung und Ablösung aufgrund Kohlenstoffkorrosion berücksichtigt (Grafik 3).