Research Unit E: Impact of gas supply system on degradation and efficiency in fuel cell system for mobile applications

Die Ohm erhielt einen Zuschuss von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für das Projekt FIP 8 „DuraFuelCell: Multiskalen-Untersuchung zur Entwicklung langlebiger und effizienter Wasserstoff-Brennstoffzellensysteme für mobile und stationäre Anwendungen“, das mit verschiedenen Mitwirkenden und Kooperationspartnern die Entwicklung langlebiger und effizienter Wasserstoff-Brennstoffzellensysteme für mobile und stationäre Anwendungen untersucht („Ohm Research“).

Raue Betriebsbedingungen wie Leerlauf, rascher Lastwechsel und Start-Stopp-Zyklen sind Schlüsselfaktoren, die die Alterung von mobilen Brennstoffzellen (PEMFC) beschleunigen. Ein Lastwechsel erfordert einen schnell anpassenden Reaktantenfluss und führt zu dynamischen Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsverhältnissen und Potenzialschwankungen. Dabei muss die Stöchiometrie (das Verhältnis der Luft- und Wasserstoffmasse) aufrechterhalten werden. Diese Faktoren verursachen mechanischen Verschleiß der Komponenten, Gasmangel und Platin (Pt)-Partikelwachstum auf der Katalysatoroberfläche. Bei großen Brennstoffzellenstapeln besteht ein zunehmender Bedarf, die Lebensdaueranalyse mit dem Stoffübertragungsprozess und dem internen Wärme- und Wasserzustand unter verschiedenen Bedingungen zu kombinieren. Sowohl experimentelle Studien als auch Modellierungsansätze sind erforderlich, um weitere Details der Brennstoffzellenalterung in Stapelkonfigurationen aufzudecken und die Auslegung von Brennstoffzellensystemen mit langer Lebensdauer zu verbessern.

In diesem Teilprojekt wird ein neuartiges Verfahren zur Steuerung der Luft-Brennstoff-Zufuhr untersucht und mit modernen Luftzufuhrvorrichtungen verglichen. Begleitende numerische und experimentelle Studien werden durchgeführt, um die Auswirkungen des vorgeschlagenen Gasversorgungsprozesses auf die Faktoren zu verstehen, die zur Degradation der Komponenten und zum parasitären Energieverbrauch des PEMFC-Balance-of-Plant-Systems (BoP) führen.

Genauer gesagt wird eine innovative PEMFC-Gasaufbereitung eingesetzt, um die Luft in der Kathode der Brennstoffzelle genau zu steuern und um Sauerstoffmangel unter dynamischen Lastbedingungen zu vermeiden. Diese neue Gasaufbereitung kombiniert einen neuartigen Rotationskolbenkompressor mit einer hochdynamischen Durchflussregelung, die aus einer variablen Venturidüse besteht. Gleichzeitig zielt sie darauf ab, die Anzahl der Komponenten im BoP und damit die Ausfallrate zu reduzieren. Damit wird ein Beitrag zur Erhöhung der Lebensdauer des Systems geleistet.

Mit diesem Ansatz sollen zwei wichtige Forschungsfragen beantwortet werden:

• Wie wirkt sich eine genaue Massenstromregelung an Anode und Kathode auf die Alterung eines Brennstoffzellensystems im transienten Betrieb aus?
• Inwieweit kann eine Sauerstoff- und Wasserstoffverknappung durch den Einsatz eines effizienten Luftzufuhrsystems vermieden werden?

Das Projekt wird am Institut für Fahrzeugtechnik und am Institut für leistungselektronische Systeme (ELSYS) durchgeführt.