Fahrzeugtechnologien, MdZ 5. Ausschreibung (2014)

FC-DIAMOND

PEM Fuel Cell DegradatIon Analysis and MinimizatiON MethoDology Based on Joint Experimental and Simulation Techniques

Ziel des gegenständlichen Projekts ist die Analyse und Quantifizierung von Alterungs-/ Degradationsprozessen der Membran-Elektroden-Einheit von Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen auf Basis einer kombinierten experimentell/simulationsgestützten Analysetechnik. Mittels eines auf Basis von experimentellen Alterungs-/Degradations-untersuchungen an Laborzellen erweiterten 3D-Simulationsansatzes werden „virtuelle Experimente“ zur Membranalterung und Katalysatordegradation für ausgewählte Membran-Elektrodeneinheiten mit unterschiedlicher Platinbeladung und Flächenbelegungsverteilung durchgeführt. Simulationsergebnisse zur zeitlich/räumlichen Entwicklung der Degradations-erscheinungen ermöglichen deren Zuordnung zu geometrischen Gegebenheiten und lokalen Betriebsbedingungen der Zelle. Die Überprüfung der Übertragbarkeit der Vorgangsweise auf die Analyse und Quantifizierung von Degradationserscheinungen in realen Brennstoffzellen erfolgt durch Simulation unterschiedlich gealterter Zellen mit industriellen Flow-Fields im Vergleich mit experimentellen Daten.

Mit Brennstoffzellen angetriebene Elektrofahrzeuge sind hocheffizient und verbrauchsarm und verursachen zudem im Betrieb mit H2 keinerlei Emissionen. H2 als Kraftstoff kann mittels Wasserelektrolyse aus regenerativ erzeugtem Strom (z.B. Windenergie) ebenfalls emissionsfrei erzeugt werden. Im automobilen Antriebsbereich werden Niedertemperatur- PEM-Brennstoffzellen (NT-PEMFC) beginnend in 2015 durch die weltweit führenden Automobilkonzerne (Toyota, Hyundai, Honda, BMW, Daimler, Ford, GM, Nissan, Volkswagen, etc.) in Serienstückzahlen auf dem Markt eingeführt werden. Die Kosten zur Herstellung der in den Fahrzeugen verbauten Brennstoffzellen sind aber nach wie vor deutlich zu hoch und können durch den Skalierungseffekt der beginnenden ersten größeren Serienproduktion noch nicht ausreichend gesenkt werden. Nach wie vor spielt bei den Materialkosten beispielsweise der Platinanteil der Zellen neben der protonenleitenden Membran eine signifikante Rolle. Eine Reduktion des Platingehaltes, vor allem auf der leistungstechnisch kritischeren Kathodenseite der Membrane-Elektrode-Assembly (MEA), hat eine direkte Auswirkung auf die Aktivität der Katalysatorschicht, somit auf die Leistungsfähigkeit von Kathode und gesamter Brennstoff-zelle. Allerdings hat eine Reduktion des Platingehaltes dramatisch negative Auswirkungen auf die Rate der Alterung/Degradation der Zelle.

Gegenstand des Projekts ist die Analyse und Quantifizierung von Alterungs-
/Degradationsprozessen der Membran-Elektroden-Einheit von Niedertemperatur-PEMBrennstoffzellen auf Basis einer kombinierten experimentell/simulationsgestützten Analysetechnik. Dazu werden unter Verwendung von Laborzellen mit idealisiertem Strömungsfeld beschleunigte Alterungsuntersuchungen durchgeführt und basierend auf den gewonnenen experimentellen Erkenntnissen detaillierte kinetische Alterungs-/Degradations-modelle für Katalysatorschicht und Membran entwickelt. Implementiert in eine entsprechend erweiterte 3D-Simulationsplattform werden auf Basis dieser Modelle virtuelle Experimente zur Membranalterung und Katalysatordegradation für ausgewählte Membran-Elektrodeneinheiten mit unterschiedlicher Platinbeladung und Flächenbelegungsverteilung durchgeführt. Die mithilfe der 3D-Simulation gewonnenen Einblicke in die zeitlich/räumliche Entwicklung der Degradationserscheinungen ermöglicht deren Zuordnung zu örtlichen geometrischen Gegebenheiten, wie beispielsweise dem Kanal-/Stegverhältnis, oder lokalen Betriebs-bedingungen, wie Flüssigwasseranteil, Stromdichteverteilung, etc. Die Überprüfung der Übertragbarkeit der Vorgangsweise auf die Analyse und Quantifizierung von Degradations-erscheinungen in realen Brennstoffzellen, sowie die Ableitung von möglichen Strategien zur Minimierung von Alterungsprozessen, erfolgt durch Simulation unterschiedlich gealterter Zellen mit industriellen Flow-Fields und Vergleich der berechneten lokalen und globalen Degradationsraten mit den korrespondierenden experimentellen Daten.

Als Ergebnis des Projekts steht zukünftig eine Analysetechnik zur Verfügung, die eine simulationsgestützte Beschreibung der ortsaufgelösten Vorgänge in der MEA mit Schwerpunkt auf Degradations-Effekten ermöglicht. Das Modell verwendet dabei die Bedingungen in der Zelle (eingestellte Betriebsparameter) und die Struktur der Zelle (Aufbau der Komponenten) als Eingangsparameter, um dann eine Auswirkung der Platinbeladung, der Flächenbeladungsverteilung oder auch der geometrischen Ausgestaltung der Zelle, wie beispielsweise dem Steg/Kanal-Verhältnis, auf die Veränderung der Leistungsfähigkeit der Zelle berechnen/voraussagen zu können. Mithilfe dieser Modellumgebung ist es dann in Zukunft möglich, ein bestimmtes Setup, bestehend aus einer genau spezifizierten MEA bzw. Einzelzelle und wohldefinierten Betriebsparametern, auf die Lebensdauer zu untersuchen. Auf Basis von Simulationen können dann Fragen nach möglichen MEA-Konfigurationen mit Schwerpunkt auf der Kathode bei gleichzeitiger Bestimmung idealer Betriebsbedingungen beantwortet werden.

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