PEM-Brennstoffzellen in Nutzfahrzeugen müssen über mehrere tausend Betriebsstunden zuverlässig arbeiten. Im Projekt wurden dafür innovative Diagnoseverfahren für PEM-Brennstoffzellen entwickelt, die eine frühzeitige Erkennung von Defekten und Degradationsprozessen ermöglichen – sowohl im Betrieb als auch in der detaillierten Materialanalyse.
In großen PEM-Brennstoffzellen-Stacks können inhomogene Stromdichten auftreten, die unter anderem durch variable Kontaktwiderstände, Pinholes oder mechanische Belastungen verursacht werden. Zudem führen Material- und Mikrostrukturdegradation an Katalysator, Membran, Gasdiffusionslage und Bipolarplatten zu Leistungsabfall, Effizienzverlust und vorzeitigem Ausfall.
Da Materialkosten rund 83 % der Stack-Kosten ausmachen, sind präzise Diagnosemethoden für Brennstoffzellen essenziell. Benötigt werden insbesondere nicht-invasive Verfahren, um Stromverteilung, Defekte und Materialschäden frühzeitig zu erkennen und deren Ursachen zu verstehen.
Der Ansatz kombiniert komplementäre Methoden aus zerstörungsfreier Analyse und detaillierter Materialdiagnostik für PEM-Brennstoffzellen-Systeme.
Die Magnetfeldanalyse erfasst die charakteristischen „magnetischen Fingerabdrücke“ des Brennstoffzellen-Stacks mittels hochauflösender Magnetfeld-Sensorarrays – mobil, ATEX-geeignet oder in einer Robotik-Zelle. Dadurch sind Rückschlüsse auf die innere Stromdichteverteilung möglich.
Ergänzend erfolgt eine Analyse über mehrere Längenskalen – von der Stack- bis zur Nanometerskala. Zum Einsatz kommen Verfahren wie Röntgen-CT, Querschnittspräparation mittels fokussierter Ionenstrahlentechnik, Rasterelektronenmikroskopie mit EDX-Analytik, Transmissionselektronenmikroskopie, AFM, ToF-SIMS und Wirbelstromprüfung (ECT).
Die chemische Bildgebung mittels ToF-SIMS, XPS und ICP-MS ermöglicht die Detektion und Analyse von Verunreinigungen sowie Degradationsprodukten in Brennstoffzellenmaterialien.
Die Magnetfeldanalyse ermöglicht die zerstörungsfreie Lokalisierung von Stromdichte-Inhomogenitäten in PEM-Brennstoffzellen, die beispielsweise durch Kontaktprobleme, Austrocknung oder lokale Defekte verursacht werden. Einzelne Defekte mit Ausdehnungen im cm²-Bereich sind bei Stromdichten von etwa 1 A/cm² und Sensorauflösungen im µT-Bereich anhand von Verschiebungen der Magnetfeldverteilung nachweisbar.
Zeitaufgelöste Messungen an betriebenen Brennstoffzellen-Stacks zeigen zudem räumlich-zeitliche Inhomogenitäten während des Betriebs.
Die Mikrostrukturdiagnostik liefert nach der Demontage der Stacks detaillierte Erkenntnisse zu Degradations- und Defektursachen. Risse in Bipolarplatten bis zu einer Breite von etwa 7 µm werden über ECT-Flächenwiderstandskarten detektiert. Erhöhte Kontaktwiderstände an Ti-Fleece-GDLs lassen sich identifizieren und auf chemische Veränderungen an den Oberflächen zurückführen.
Die Pt-Partikelgrößenverteilung in Katalysatorschichten wird mittels Transmissionselektronenmikroskopie quantifiziert, um Ostwald-Reifung und Degradation zu bewerten. Die ToF-SIMS-Bildgebung zeigt die räumliche Verteilung von Elementen wie Na, K, Ca und Ti in MEA und GDL nach zyklischer Belastung und liefert damit wichtige Informationen zur Bewertung von Kontamination und Membrandegradation.
Die im Projekt entwickelten Diagnoseverfahren und Analyseansätze sind auf unterschiedliche Brennstoffzellen-Systeme übertragbar. Sie können sowohl in der Entwicklung als auch in der Qualitätssicherung und im Betrieb eingesetzt werden.
Die Kombination der beiden Ansätze ermöglicht die Früherkennung und Lokalisierung von Defekten in PEM-Brennstoffzellen-Stacks ohne Demontage. Dadurch können Ausfallraten reduziert und die Lebensdauer von Brennstoffzellensystemen verlängert werden.
Die gewonnenen Daten aus Mikrostruktur- und chemischen Analysen unterstützen die gezielte Materialoptimierung bei Katalysator, Gasdiffusionslage und Bipolarplatte sowie fundierte Designentscheidungen und die Auswahl geeigneter Lieferanten.
Die entwickelten Prüfkonzepte sind übertragbar und eignen sich für den Einsatz in der Qualitätssicherung, bei End-of-Line-Tests sowie im Condition Monitoring im Feld – von der ersten Schadensauffälligkeit bis zur detaillierten Ursachenanalyse.
Die entwickelten Verfahren sind insbesondere relevant für:
Typische Anwendungsfälle sind:
Fraunhofer-Gesellschaft mit ihren Instituten ICT, IIS, IMWS und LBF