Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen, kurz PEM-Brennstoffzellen, gelten als wichtige Technologie für zukünftige mobile Anwendungen. Damit sie wirtschaftlich eingesetzt werden können, müssen Leistungsdichte und Lebensdauer weiter erhöht und die Kosten gesenkt werden.

Ein entscheidender Faktor dafür ist das Verständnis der Zustände im Inneren der Brennstoffzelle. Temperatur, Feuchte und Druck beeinflussen maßgeblich, wie effizient eine Brennstoffzelle arbeitet und wie schnell Alterungs- oder Schädigungsprozesse entstehen. Bisher überwachen Brennstoffzellensysteme jedoch nur die Ein- und Ausgangszustände der beteiligten Gase. Lokale Unterschiede innerhalb der Bipolarplatte bleiben unberücksichtigt.

Das Forschungsprojekt Sentinel setzte genau hier an. Ziel war es, Sensoren in die Bipolarplatte zu integrieren, um lokale kritische Zustände im Betrieb besser erfassen zu können. Nach zwei Jahren Projektlaufzeit wurde Sentinel erfolgreich abgeschlossen. Die Ergebnisse verbessern das Verständnis ortsaufgelöster Brennstoffzellenbedingungen und bilden eine Grundlage dafür, die aufgetretenen Fragestellungen bei der Integration von Sensoren in Bipolarplatten in weiteren Forschungsvorhaben anzugehen.

Die Herausforderung: Lokale Zustände sichtbar machen

Während des Betriebs können innerhalb der Bipolarplatte deutliche Unterschiede bei Temperatur, Feuchte, Druck und Gasverteilung entstehen. Solche Gradienten können die Leistung der Brennstoffzelle mindern und Degradationsprozesse beschleunigen. Unter Degradationsprozessen versteht man Alterungs- und Verschleißvorgänge, die Bauteile schrittweise schädigen und dadurch die Leistungsfähigkeit sowie die Lebensdauer der Brennstoffzelle verringern.

Mit herkömmlicher Messtechnik lassen sich diese lokalen Zustände bislang nur eingeschränkt erfassen. Werden lediglich Werte am Ein- und Ausgang gemessen, fehlen wichtige Informationen darüber, was innerhalb der aktiven Fläche geschieht. Für eine präzise Betriebsführung und eine längere Lebensdauer der Brennstoffzelle ist diese Kenntnis jedoch entscheidend.

Die Lösung: Sensoren direkt in der Bipolarplatte

Im Projekt Sentinel wurden zunächst kommerzielle digitale Temperatur- und Feuchtesensoren in die Kanäle einer Bipolarplatte integriert. Dort können sie lokale Gaszustände erfassen, ohne nur auf Messpunkte an Ein- und Auslässen angewiesen zu sein. Um die kommerziellen Sensoren in die Platte einzubringen, wurde eine 5 mm dicke Testbipolarplatte mit einer Zwischenplatte zur Signalführung als Lösung gewählt.

Damit der Gasfluss an der Messstelle möglichst wenig beeinflusst wird, war das Ziel besonders flache Sensoren in Dünnschichttechnik zum Einsatz zu bringen. Grundlage dazu waren 3D-fähige Dünnschichtverfahren, mit denen Sensorstrukturen direkt auf die Bipolarplatte aufgebracht werden konnten. So lässt sich der vorhandene Bauraum innerhalb der Bipolarplatte nutzen, ohne die Funktion der Brennstoffzelle wesentlich zu beeinträchtigen. Auf Testsubstraten konnten die Sensorstrukturen bereits erfolgreich erprobt werden. Der Übertrag auf die Bipolarplatte führte zu Herausforderungen bzgl. der Größe der Platte und den Parametern der Beschichtungsverfahren. Insbesondere auch der Übertrag auf eine industrielle Bipolarplatte brachte durch unterschiedliche Bipolarplattenmaterialien und -geometrien neue Herausforderungen mit sich. Diese Herausforderungen wurden als Forschungsfragen formuliert und sollen in weiteren Forschungsvorhaben adressiert werden. 

Von der Simulation zum Brennstoffzellentest

Zu Beginn des Projekts wurden mithilfe von Strömungssimulationen jene Bereiche der Bipolarplatte identifiziert, an denen kritische Zustände besonders wahrscheinlich auftreten. Auf dieser Grundlage wurden geeignete Messpunkte für die integrierte Sensorik abgeleitet und die Messergebnisse der kommerziellen Sensorik mit den Simulationsdaten überprüft und verifiziert.

Im Brennstoffzellenbetrieb konnten dadurch lokale Temperatur- und Feuchteverteilungen genauer erfasst und mit Betriebszuständen der Zelle in Zusammenhang gebracht werden.

Die gewonnenen Sensordaten tragen dazu bei, kritische Zustände besser zu verstehen und Ansätze für eine angepasste Betriebsführung abzuleiten. Ziel ist es, Betriebsparameter künftig so zu steuern, dass leistungsmindernde oder degradationsfördernde Zustände möglichst vermieden werden.