Schadgase in der Umgebungsluft können die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von PEM-Brennstoffzellen erheblich beeinflussen. Im MultiPEM-Projekt wurden typische Luftschadstoffe unter realitätsnahen Betriebsbedingungen untersucht, um deren Auswirkungen auf einzelne Zellen und den gesamten Stack zu bewerten sowie Strategien zur Regeneration und Robustheitssteigerung zu entwickeln.
PEM-Brennstoffzellen-Stacks im mobilen Einsatz sind luftgeführten Schadgasen ausgesetzt, die in urbanen Verkehrsbereichen, in Tunneln, in industriell beeinflussten Regionen sowie allgemein in der Umgebungsluft auftreten können. Bereits geringe Konzentrationen können elektrochemische Prozesse beeinflussen und inhomogene Reaktionen innerhalb des Stacks hervorrufen.
Da Gasverteilung, lokale Temperaturen und Wasserhaushalt im Stack räumlich variieren, reagieren einzelne Zellen unterschiedlich stark auf Schadstoffe. Diese zellselektiven Effekte sind für Gesamtleistung, Betriebsstabilität und Lebensdauer von großer Bedeutung. Für robuste Brennstoffzellensysteme im Nutzfahrzeugbereich ist daher ein detailliertes Verständnis dieser chemischen Einflussfaktoren erforderlich.
Untersucht wurden Schadstoffe, die typischerweise in der Außenluft vorkommen und den Betrieb von PEM-Brennstoffzellen beeinflussen können. Die Dosierung wurde für SO₂, NO und NH₃ umgesetzt.
Der Versuchsansatz umfasste:
Dadurch konnten besonders empfindliche Zellbereiche identifiziert und die Auswirkungen verschiedener Betriebsbedingungen quantitativ bewertet werden.
Die Untersuchungen zeigen, dass Schadstoffeinflüsse stark von der räumlichen Lage der Zellen innerhalb des Stacks abhängen.
Besonders SO₂ führt zu deutlichen Abweichungen einzelner Zellspannungen gegenüber dem Mittelwert. NO und NH₃ zeigen ebenfalls messbare Einflüsse, diese fallen jedoch geringer aus.
Mit steigender Stromdichte nimmt der Variationskoeffizient zu. Hohe Lastpunkte verstärken somit die Unterschiede zwischen einzelnen Zellen. Eine erhöhte Kathodenstöchiometrie reduziert diese Inhomogenitäten und stellt eine wirksame Stellgröße zur Verringerung von Schadgaseinflüssen dar.
Zeitaufgelöste Untersuchungen zeigen außerdem, dass einzelne Zellen unterschiedlich schnell auf Schadgase reagieren. Während einige Zellen unmittelbar auf die Belastung reagieren, zeigen andere verzögerte Veränderungen. Nach Ende der Exposition regenerieren sich manche Zellen teilweise, andere verbleiben dauerhaft auf einem reduzierten Spannungsniveau.
Die Impedanzspektren weisen charakteristische Veränderungen auf, die auf modifizierte Adsorptionszustände und veränderte Reaktionspfade an der Katalysatoroberfläche hinweisen.
Zur Wiederherstellung der Leistung nach einer Schadgasbelastung wurde der Betrieb mit reiner Luft untersucht.
Dabei zeigte sich:
Ergänzend wird an regenerativen Verfahren gearbeitet, mit denen sich die Auswirkungen von SO₂ ohne Ausbau des Stacks oder des Gesamtsystems reduzieren lassen.
Die im Projekt entwickelten Methoden und Erkenntnisse bilden die Grundlage für weiterführende Entwicklungs- und Industrieprojekte. Gemeinsam mit Unternehmen übertragen wir die Ergebnisse auf konkrete Anwendungen und unterstützen bei der Auslegung robuster Brennstoffzellensysteme unter realen Betriebsbedingungen.
Mögliche Schwerpunkte einer Zusammenarbeit sind:
Unternehmen profitieren dabei von der Kombination aus experimenteller Infrastruktur, wissenschaftlicher Expertise und anwendungsnaher Entwicklung.
Fraunhofer-Gesellschaft mit ihren Instituten ICT, IIS, IMWS und LBF