Langlebige Wasserstoffbrennstoffzellen
Das von der EU finanzierte Projekt SAPPHIRE (System automation of PEMFCs with prognostics and health management for improved reliability and economy) wurde initiiert, um die relativ kurze Lebensdauer von PEMFCs zu thematisieren. Die Verlängerung der Lebensdauer kann auf verschiedene Arten realisiert werden – eine davon ist Prognostik und Zustandsmanagement. Die Forscher unterzogen existierende PEMFC-Stack-Modelle, die bei der Zustandsbewertung und sogar der Operationssteuerung eingesetzt wurden, einer kritischen Betrachtung. Das Modell, das am ehesten den Erfordernissen der Prognostik und des Zustandsmanagements entspricht, war eine Kombination aus statischem und dynamischen Modell. Dieser Hybridansatz wurde geprüft, um den globalen Trend der Spannungsentwicklung im Zeitverlauf abschätzen und die Restnutzungsdauer prognostizieren zu können. Die Projektpartner entwickelten gleichermaßen mehrere Steuerungen, um den allgemein bekannten, Degradation verursachenden Faktoren wie etwa Vergiftung, Austrocknung und Brennstoffmangel, wirksam entgegenzuwirken. Kohlenstoffoxidvergiftung (CO) wird im Normalfall durch Entlüften kompensiert, was oftmals auf hohe Werte gesetzt wird, um den schlechtesten zu erwartende Vergiftungswert in den Griff zu bekommen. Ein dritter Partner implementierte eine Feedbackroutine, welche die asymmetrische Dynamik der Vergiftung ausnutzte, wodurch das Entlüften um eine Größenordnung reduziert wurde, während der Stack CO-frei gehalten werden konnte. Eine unerwartete Entdeckung des Projekts war auf eine Fehlkonfiguration der Langzeit-Prüfausstattung zurückzuführen: Die getesteten Systeme wurden oftmals über mehrere tausend Stunden neu gestartet, und die Neustartprozedur verbesserte stetig deren Wirkungsgrad. Nachdem das Konsortium die Bedeutung dieser Feststellung erkannt hatte, überprüfte man das Phänomen in zusätzlichen Versuchen und es bestätigte sich, dass der größte Teil der Langzeitdegradation wiederhergestellt werden kann. Dieser Effekt war bereits vorher beobachtet worden, wurde aber als temporär angesehen und noch nie für tausende Stunden nachgewiesen. SAPPHIRE hat zwei Patentanmeldungen eingereicht: eine für das Steuerungssystem und eine weitere für das datengesteuerte Prognosesystem. Während man sich hier auf die gegenwärtige PEMFC-Generation konzentriert, wird es möglich sein, dieselben diagnostischen und prognostischen Verfahren auf die nächste Generation von Brennstoffzellen anzuwenden. Mit der Gewährleistung einer ausreichenden Langlebigkeit für den Einsatz im Verkehr und stationäre Anwendungen verspricht die Arbeit von SAPPHIRE, die Markteinführung von Brennstoffzellentechnologien zu beschleunigen sowie die Energieunabhängigkeit Europas zu fördern.
Schlüsselbegriffe
Wasserstoff, Brennstoffzellen, PEMFCs, Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, SAPPHIRE, Systemautomatisierung
