Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von mit Mikrogasmesstechnik gekoppelten massenfertigungstauglichen Referenzelektroden zur Gewährleistung des sicheren Betriebs von PEM-Brennstoffzellen-Systemen

Im geplanten Forschungsvorhaben SAFEREF wird eine Sensortechnik zur frühzeitigen und zuverlässigen Detektion zellschädigender, auf lokalem Wasserstoffmangel basierender Betriebsbedingungen von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) entwickelt.

Dazu werden in die MEA Dynamische-Wasserstoff-Referenzelektroden (DHE) integriert sowie eine Anoden-Sensor-Einheit (ASE) zur Charakterisierung der Eigenschaften des Gasgemisches im Rezirkulationszweig der Anode entwickelt. Ergänzend wird ein Algorithmus zur Auswertung der Sensorsignale und zur optimalen Steuerung des PEMFC-Systems erarbeitet. Die DHE werden in Dünnschichttechnik auf flexiblem Trägermaterial hergestellt. Die Entwicklung erfolgt dabei ausgehend von aus einzelnen Pt-Drähten hergestellten DHE (als Referenzbaugruppe).

Mit der ASE sollen die Gasparameter Druck, Temperatur, Durchfluss und Konzentration gemessen werden. Schwerpunkt der Entwicklung ist ein auf MEMS basierender Temperaturleitfähigkeitssensor zur korrelativen Ermittlung der Gaszusammensetzung aus verschiedenen physikalischen Gasparametern. Die entsprechenden Messwerte gehen in die dynamische Adaptierung des Gaskonversionsfaktors zur Korrektur des Strömungssignals des ebenfalls zu entwickelnden thermischen Massenstromsensors ein, um eine erhöhte Messgenauigkeit des Gasmengenstroms zu erzielen. Zudem wird ein leicht in bestehende PEMFC-Systeme integrierbares Gehäuse unter Berücksichtigung der thermischen und strömungstechnischen Anforderungen entwickelt. Alle Entwicklungsschritte werden auf Funktionalität und Langzeitstabilität hin überprüft.

Mittels der zu entwickelnden, kostengünstigen Sensor- und Steuerungstechnik soll bei einer optimalen Wasserstoffausnutzung insbesondere die Lebensdauer und damit die Wirtschaftlichkeit von PEMFC-Systemen erhöht werden.

Die KMU profitieren direkt als Zulieferer für die mit DHE- und ASE-Messtechnik ausgestatteten MEAs, aber auch indirekt als Zulieferer für weitere PEMFC-Komponenten.

Ergebniszusammenfassung:

• Kostengünstige 3D-gedruckte PEMFC: Es wurden Designs und Fertigungskonzepte erarbeitet und erprobt, die es gestatten unter Verwendung von aus dem Hobbybereich stammenden CNC-Fräsen und 3D-Drucker einsatzfähige, robuste und sehr kostengünstige PEMFC zu fertigen. Diese PEMFC wurden erfolgreich im Bereich Forschung und Ausbildung eingesetzt. Es wird insbesondere Bildungseinrichtungen (Schulen, Hochschulen, …) die Möglichkeit zum einfachen und niedrigpreisigen Einstieg in die gesamte Bandbreite PEMFC Technologie, von Fertigung bis hin zum Betrieb, gegeben.

• Ermittlung von Betriebszuständen: Mittels der in die MEA integrierten DHE können sehr empfindlich die lokalen Elektrodenpotentiale ermittelt und somit im weitesten Sinne Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit der z.B. Katalysatorschichten, Gasverteilungen und Betriebsstrategie gezogen werden.  Die auf den integrierten DHE basierende Messtechnik kann im Bereich „Entwicklung“ u.a. zur Optimierung von Katalysatorschichten, Flowfields sowie der Betriebsführung (Medianversorgung) eingesetzt werden.

• Optimierung der Betriebsstrategie: Mittels der in die MEA integrierten DHE können zu starken Degradationen der PEMFC führende Betriebsbedingungen sehr frühzeitig erkannt werden.  Basierend auf den entsprechenden Messwerten kann die Betriebssteuerung, z.B. durch ein bedarfsgerechtes Purgen, optimiert und somit die Lebensdauer des Systems verlängert werden.

• Entwicklung einer kompakten Anoden-Sensoreinheit (ASE) zur Erfassung von Massenstrom, Wasserstoff-Konzentration, Gasdruck, Temperatur des Wasserstoff-Gemischs im Anodenkreislauf einer PEMFC einschließlich der erforderlichen Auswerteelektronik und Algorithmen.

• ASE und DHE weckten bei Messeauftritten starkes Interesse, so konnten bereits bilaterale Projekte mit KMUs akquiriert und eine Auftragsstudie zur Wasserstoff-Sensorik abgeschlossen werden. Die Ergebnisse werden im Transformationsnetzwerk "Automotive Transformation für den Südwesten" (AutoS) präsentiert.