Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines dauerhaften PEMFC Stacks bei zyklischer Frost-Tau-Wechsel Belastung

Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) - Brennstoffzellensysteme können in automobilen aber auch stationären oder portablen Anwendungen in den Wintermonaten extremen klimatischen Belastungen ausgesetzt sein, da diese unter Umständen Temperaturzyklen zwischen +90°C und -40°C in Verbindung mit einer hohen Anzahl an Frost-Tau Zyklen unbeschadet überstehen müssen. Abgesehen davon schreibt die DOE vor, dass bis 2020 Brennstoffzellenstapel bei Temperaturen von -20°C innerhalb von 30 Sekunden 50% der Leistung erreichen müssen. Gerade im Automotivbereich ist die Gefahr der Eisbildung und dadurch verursachte Schäden an den Brennstoffzellenkomponenten ein ernstzunehmendes Problem für die Vermarktung der Brennstoffzelle, da es zu verschiedenen Schadensbildern kommen kann, wie Erfahrungen gezeigt haben. In dem geplanten Forschungsvorhaben soll daher ausgehend von den bisherigen Erkenntnissen (IGF 18224N) eine Anpassung der entscheidenden Prozessparameter dahingehend erfolgen, dass ein PEMFC Stack ein zyklisches Einfrieren und Wiederauftauen der Restwassermenge ohne gravierende Schäden übersteht. Dies soll in erster Linie über die Anordnung und Ausführung einer Isolierung sowie über die Variation des MEA Designs erfolgen. Mit den zu erwartenden Ergebnissen lassen sich Frostschäden an automobilen oder stationären Systemen gezielt verhindern, was zu einer erhöhten Lebensdauer von PEMFC Stacks beiträgt, Kosten reduziert und positiv für eine weitreichendere Vermarktung der Brennstoffzelle ist. Gerade auch für KMUs ist dies von großer Relevanz, da diese nicht über die Mittel verfügen dieses know-how selber zu generieren. Damit können sich KMUs auf dem Markt neu positionieren und einen Wettbewerbsvorteil gegenüber größeren Firmen erlangen.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurde der Einfluss der Parameter MEA Aufbau, Isolierung und Spülprozedur auf die Frostbeständigkeit von ein- und 5 zelligen Aufbauten unter zyklischer Frostbelastung untersucht und den Ergebnissen eines industrienahen Stacks gegenübergestellt. Es konnte eine umfangreiche Datenbasis zum Einfluss der Materialvariationen sowie einer aufgebrachten Spülung auf die Leistungsparameter und die Gefüge- bzw. Poreneigenschaften aufgebaut werden. Bei gleichen Umgebungsbedingungen konnten Schadensmechanismen in Abhängigkeit der verwendeten MEA Komponenten identifiziert und Aussagen zu negativen Einfussfaktoren auf die Robustheit eines Systems gegenüber zyklischer Frosteinwirkung getroffen werden. Die Übertragbarkeit von kleinen BZ Aufbauten auf größere Stacks wurde bei Variation der Betriebs- und Spülstrategie in Anlehnung an die Herstellervorgaben untersucht und bewertet. Diese Daten dienen dem besseren Verständnis der im Inneren der Zellen ablaufenden Prozesse bei einer derartigen Exposition und der Auslegung der Materialien um Schäden an den Zellmaterialien vorzubeugen. Insofern konnte mit Hilfe dieser Daten eine Bewertung der Eignung des jeweiligen MEA Aufbaus im Hinblick auf eine Frostbelastung vorgenommen werden. Mittels Simulierung der Temperaturgradienten unter Zuhilfenahme der Temperaturmessungen an full-size Stacks konnten Aussagen zur Ausrichtung des Temperaturgradienten und Anbringung einer geeigneten Isolierung getroffen werden. Die ermittelten Spülstrategien konnten eine Verbesserung der Robustheit der Systeme unter Frostbelastung erzielen so dass Empfehlungen für die Vermeidung von Frostschäden gegeben werden können. Mit Hilfe dieser können Stacks dauerhafter aufgebaut und während der Wintermonate beim Abstellen von Fahrzeugen oder stationäre Systeme sicherer genutzt werden.