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.     «

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...     »

The development of a Fuel-Cell as a drive-train for the automotive environment is way more complex than a pure battery system. The main reason is, that besides the electrochemical Fuel-Cell stack, a Fuel-Cell system has to be designed to maintain the media supply for the stack. An operation strategy has to be developed which defines how the system and the stack work together to archive all desired operation states and the power output of the drive-train. Only if these three components fit perfectly together, a Fuel-Cell can fulfill all the requirements like cost, durability and performance of a state of the art drive train for automotive applications. In contrast to the development of internal combustion engines, where all pros and cons of different technologies and their influence on the drive-train design are known, this is not the case for Fuel-Cells. For every new design all the characteristics has to be determined in small scale testing and afterwards transferred by modeling to the final scale. This works investigates the durability and performance characteristics of the membrane electrode assembly(MEA) the electrochemical heart of the Fuel-Cell stack. The publication "Voltage Cycling Induced Losses in Electrochemically Active Surface Area and in Hydrogen/Air-Performance of PEM Fuel Cells" examines the degradation behavior of MEA depending on the operation strategy in a drive cycle. The results of this study helps in the tuning of the operation strategy between the Fuel-Cell system and the stack. This ensures, that with a minimal catalyst content of the MEA the desired performance at end-of-life of the Fuel-Cell can be archived. This is a difficult target because the catalyst loading of the MEA is determined early in the development process. So a reliable model for degradation dependent of the operation strategy is needed. Another crucial challenge is the correlation of the results from the small scale modeling of the degradation behavior with data from experiments with the final drive-train. To validate the data from the isolated lab experiments with the real world drive-train results a method to measure electrochemical properties of the MEA in a car is presented in the publication "Improved electrochemical in-situ characterization of polymer electrolyte membrane fuel cell stacks". When the influence of the operation-strategy onto the degradation of the MEA is know, there are further challenges due to the complex piping of the media in the system. In the operation in the system, the MEA will face operation states and events which are not present in laboratory tests. It is important to cover these differences in the development of the Fuel-Cell drive-train. One challenge is the avoidance of hydrogen emission at some operation points of the Fuel-Cell-System. In the publication " Impact of Hydrogen Bleeding on the Cathode Side of a PEM Fuel Cell" the influence of the injection of hydrogen into the Air inlet of the Fuel-Cell stack is analyzed. With the results of this study the design of future Fuel-Cell-Systems will emit less hydrogen. The results of this work shows, that for the optimal design and development of a Fuel-Cell drive-train, the interaction of the System and the Stack has to be considered early in the process to archive all desired properties in the final product.     «

The development of a Fuel-Cell as a drive-train for the automotive environment is way more complex than a pure battery system. The main reason is, that besides the electrochemical Fuel-Cell stack, a Fuel-Cell system has to be designed to maintain the media supply for the stack. An operation strategy has to be developed which defines how the system and the stack work together to archive all desired operation states and the power output of the drive-train. Only if these three components fit perfec...     »