Die Entwicklung eines Brennstoffzellensystems für die Nutzung als Antriebsstrang in einem Fahrzeug ist deutlich komplexer als die eines reinen Batteriefahrzeugs. Dies liegt darin begründet, dass neben dem elektrochemischen Brennstoffzellenstapel ein verfahrenstechnisches System, das den Brennstoffzellenstapel mit Medien versorgt, entwickelt werden muss. Zusätzlich zu dieser System/Stapel-Kombination wird eine passende Betriebsstrategie benötigt, die festlegt wie die Medien in verschiedenen Betriebssituationen konditioniert werden.
Nur wenn diese drei Komponenten optimal aufeinander abgestimmt sind, kann ein Brennstoffzellen-Antriebsstrang die Anforderung an Leistungscharakteristik, Haltbarkeit und Kosten erfüllen.
Im Gegensatz zu z.B. Verbrennungsmotoren, in denen die Vor- und Nachteile verschiedener Motorenkonzepte bekannt sind und durch Erfahrung und Modellierung abgebildet werden können, ist dies für die Brennstoffzellentechnologie noch nicht in diesem Maß der Fall.
Die Eigenschaften eines Designs müssen in kleinem Maßstab über Versuche ermittelt und anschließend über Modellierung auf ein System in benötigten Maßstab übertragen werden.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Ermittlung der Eigenschaften der Membran-Elektroden-Einheit (MEA), dem elektrochemischen Zentrum eines Brennstoffzellenstapels, in Bezug auf Alterungs- und Leistungscharakteristik.
Die Publikation "Voltage Cycling Induced Losses in Electrochemically Active Surface Area and in Hydrogen/Air-Performance of PEM Fuel Cells" untersucht das Alterungsverhalten von MEA in Abhängigkeit der Betriebsstrategie in einem Fahrzyklus. Mit den hier erhaltenen Erkenntnissen kann für ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem der Stapel und die Betriebsstrategie besser abgestimmt werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass bei minimiertem Katalysatoreinsatz auch am Lebensende des Fahrzeugs noch eine ausreichende Leistung zur Verfügung steht. Da die Katalysatorbeladung früh im Entwicklungsprozess eines Brennstoffzellensystems festgelegt werden muss, ist eine gute Vorhersage des Alterungsverhaltens unerlässlich. Die Auslegung der Alterungseigenschaften der MEA können erst validiert werden, wenn im Entwicklungsprozess ein Prototyp zur Verfügung steht. Zusätzlich ergibt sich eine Herausforderung in der Korrelation von Laborergebnissen mit Daten aus Versuchen im Fahrzeug.
Um diese in isolierten Laborversuchen dargestellten Ergebnisse im realen Fahrzeugeinsatz zu validieren, ist es nötig ein Verfahren zu entwickeln, um die elektrochmischen Katalysatoreigenschaften im Fahrzeug zu messen. Hierzu wird in der Publikation"Improved electrochemical in-situ characterization of polymer electrolyte membrane fuel cell stacks" ein Verfahren vorgestellt, mit dem die lebensdauerrelevanten Eigenschaften analog zu den Versuchen der ersten Publikation im Fahrzeug, z.B. während einer Wartung in einer Werkstatt zugänglich sind.
Ist der Einfluss der Betriebsstrategie auf die Alterung der MEA verstanden, zeigen sich weitere Einflüsse durch die aufwendige Medienführung im Fahrzeug. Hier ergeben sich Betriebszustände, die in der Laborumgebung nicht existieren oder nur in kurzen Zeiträumen auftreten, die in Studien auf ihren Einfluss untersucht werden müssen.
Eine Herausforderung ist die Vermeidung der Wasserstoff-Emission bei bestimmten Betriebszuständen eines Brennstoffzellensystems. Hierzu wurden in der Publikation "Impact of Hydrogen Bleeding on the Cathode Side of a PEM Fuel Cell" die Auswirkungen einer Einleitung von Wasserstoff aus dem Anodenabgas in die Eingangsluft auf den Kathodenseite untersucht. Mit diesen Ergebnissen können Betriebsstrategie und Medienversorgung zukünftiger System effizienter ausgelegt werden, da auf eine betriebszustandsabhängige zusätzliche Verdünnung der Abgase verzichtet werden kann.
Die Ergebnisse und Erkenntnisse dieser Arbeit helfen die Auslegung, insbesondere das Zusammenspiel zwischen Alterung und Betriebsstrategie, zu optimieren und so ein Brennstoffzellensystem zielgerichtet auf die geforderten Eigenschaften zu entwickeln.
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Die Entwicklung eines Brennstoffzellensystems für die Nutzung als Antriebsstrang in einem Fahrzeug ist deutlich komplexer als die eines reinen Batteriefahrzeugs. Dies liegt darin begründet, dass neben dem elektrochemischen Brennstoffzellenstapel ein verfahrenstechnisches System, das den Brennstoffzellenstapel mit Medien versorgt, entwickelt werden muss. Zusätzlich zu dieser System/Stapel-Kombination wird eine passende Betriebsstrategie benötigt, die festlegt wie die Medien in verschiedenen Betri...
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