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

Laufzeit: August 2015 - Dezember 2018
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Kooperationspartner: Bosch Engineering GmbH, Zentrum für BrennstoffzellenTechnik, Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg
Projektfokus:
Labor zur in-situ-Charakterisierung von Brennstoffzellen-Komponenten.
© Fraunhofer ISE

Labor zur in-situ-Charakterisierung von Brennstoffzellen-Komponenten.

Die Verluste von Stromdichte und ECSA für zwei Hersteller (schwarz und rot) und drei Katalysatorschichten zeigen den Einfluss der Elektrodenzusammensetzung auf die Alterung.
© Fraunhofer ISE

Die Verluste von Stromdichte und ECSA für zwei Hersteller (schwarz und rot) und drei Katalysatorschichten zeigen den Einfluss der Elektrodenzusammensetzung auf die Alterung.

Schematische Darstellung der Degradationsprozesse in der Katalysatorschicht.
© Fraunhofer ISE

Schematische Darstellung der Degradationsprozesse in der Katalysatorschicht.

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).