STRESS – Start-Stopp-Alterung von PEM-Brennstoffzellen

Laufzeit: April 2012 - März 2015
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Projektfokus:
© Foto Fraunhofer ISE

Abb. 1: Spannungsverlauf einer Testzelle während Gaswechselzyklen mit Spül- und Haltedauern für Wasserstoff und Luft.

© Foto Fraunhofer ISE

Abb. 2: Zeitlicher Verlauf der Zellspannung während des Stresstests mit 10 000 Start-Stopp-Zyklen.

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Abb. 3: Abhängigkeit der Wiederherstellungswirkung von der Ladungsmenge bei einem Wiederherstellungsintervall von 50 Start-Stopp-Zyklen.

Es wurde ein Prüfprozess zur Bewertung der anwendungsspezifischen Eignung von wasserstoffbetriebenen Membranbrennstoffzellen-Stapeln (Stacks) im Leistungsbereich von 0,1 bis ca. 5 kWel entwickelt. Dieser Prüfprozess sollte auf die Anwendung der Stacks als Ladeeinrichtung für Sekundärbatterien ausgerichtet sein. Dies ist die typischerweise verwendete Systemkonfiguration in sogenannten Hybridsystemen aus Brennstoffzelle und Batterie, wie sie in den Anwendungen Camping / Freizeit, Robotik, Kleintraktion, aber auch Notstromversorgung / Back-up Power zum Einsatz kommt. Die entscheidenden Betriebsvorgänge für die Alterung und Eignung der Brennstoffzellensysteme sind daher Starts und Stopps.

Beschleunigte Start-Stopp-Zyklen werden realisiert, indem der Anode eines Brennstoffzellen-Stacks abwechselnd unter definierten Bedingungen Luft und Wasserstoff zugeführt werden. Hierdurch werden die degradierenden Bedingungen, wie sie während der Durchführung realer Start-Stopp-Prozesse von Brennstoffzellen auftreten, realitätsnah beschleunigt nachgestellt. Bei den mit der Zyklenzahl zunehmenden Leistungsverlusten sowie der Verringerung der aktiven Oberfläche handelt es sich um die Summe aus irreversibler Degradation und reversiblen Effekten. Neben ungünstigen Veränderungen im Wasserhaushalt der Brennstoffzelle kann eine reversible Bildung von Oxidschichten auf den Elektroden verantwortlich sein für das Auftreten reversibler Leistungsverluste. Das in der Literatur als effektiv beschriebene Verfahren des »Hydrogen Pumping« diente als Basis für die am Fraunhofer ISE entwickelte »recovery procedure«. Bei diesem Verfahren wird im Brennstoffzellenbetrieb unter Last eine Sauerstoffverarmung an der Kathode herbeigeführt (air starvation). Somit steht dort kein Sauerstoff zur Verfügung, der zur Oxidation des Katalysators beitragen könnte. Anodenseitig wird jedoch weiterhin ausreichend Wasserstoff zugeführt und die Brennstoffzelle wird belastet. Es werden also nach wie vor Wasserstoffprotonen durch das Ionomer von der Anode zur Kathode transportiert. Diese Protonen können nun effektiv Platinoxide reduzieren. Im Rahmen einiger Tests wurden die optimalen Parameter für dieses Verfahren evaluiert.