Während der Wintermonate können Brennstoffzellensysteme insbesondere in automobilen Anwendungsbereichen je nach Betriebsweise und Umgebungsbedingungen extremen klimatischen Belastungen ausgesetzt sein. Dabei können sowohl kurze Intervalle mit häufigen Temperaturwechseln von +80°C auf -40°C, aber auch unterschiedlich lange Frostperioden mit geringen Minimaltemperaturen und beispielsweise anschließender Inbetriebnahme auftreten. Abhängig vom Anwendungsbereich und der entsprechenden Klimazone, muss dann eine Brennstoffzelle unter Umständen pro Winter eine hohe Anzahl an Frost-Tau Zyklen überstehen.
Grundsätzlich stellt aber durch die Funktionsweise der Brennstoffzelle die Anwesenheit von Restwasser bzw. die mögliche Wasserbildung während des Kaltstarts und die damit verbundene Eisbildung bei Temperaturen unter 0°C für die Membran-Elektroden-Einheiten ein zentrales Problem dar. Hinzu kommt, dass während des Gefrierens bei porösen Materialien aufgrund der unterschiedlichen Porenverteilung Wassertransporte innerhalb des Porengefüges stattfinden, die zu einem stetigen Anwachsen von Eislinsen, aber auch zu einem Entwässern des Mikroporenbereichs führen (Mikroeislinsenmodell). Maßnahmen wie das Entfernen des Restwassers mittels Spülung, beinhalten neben der Tatsache, dass trotzdem ein gewisser Anteil an Wasser in den Zellen verbleibt, verschiedene Nachteile. Die Schadensbilder, die hier beobachtet werden können, variieren je nach Untersuchungsmethode und Vorgehensweise, da derzeit kein einheitliches Prüfverfahren zur Beurteilung des Schadensverhaltens unter einer derartigen Exposition existiert. Aufgrund dessen sind die Schadensmechanismen bislang noch nicht vollständig geklärt.
In dem aktuellen Forschungsprojekt wird daher systematisch der Einfluss verschiedener Prüfrandbedingungen wie der Abkühl/ Auftaugeschindigkeit, Minimaltemperatur, Haltedauer und Feuchtegehalt der Zelle auf das Schadensverhalten eines zuvor definierten Standardstacks analysiert. Im Vordergrund steht hier die Simulation der tatsächlich vorherrschenden Bedingungen, denen eine Stack in der Praxis ausgesetzt ist, so dass ein praxisnaher Angriff im Labor mit den entsprechenden Schadensmechanismen nachgefahren wird. Unterschieden wird dabei zwischen verschiedenen Lastfällen, wie z.B. einer zyklischen Frost-Tau-Wechselbeanspruchung sowie der Inbetriebnahme bei Temperaturen unterhalb von 0°C (Kaltstart). Neben der Festlegung der Prüfmethodik und Prüfanordnung, werden Schadensklassen sowie Beurteilungskriterien definiert, die eine Beurteilung der Dauerhaftigkeit der MEA in Bezug auf deren Frost-Tau Beständigkeit zulassen. Ziel des Projektes ist letztendlich die Erstellung einer Prüfvorschrift für eine zukünftige einheitliche Prüfung von PEM Brennstoffzellensystemen bei niedrigen Temperaturen.
- Abteilung Mikrosysteme und Strömungsmechanik
- Klimakammern am ZBT
