Integriertes Diagnoseinstrument für Brennstoffzellen
Die Gesamtleistung einer Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) im Laufe ihrer Lebensdauer spielt für die Gesamtkosten eines Brennstoffzellensystems eine wesentliche Rolle. Daher ist es entscheidend, die Degradation und äußerst schädigende Ausfälle mithilfe von Diagnoseinstrumenten zu begrenzen oder zu verhindern, die in Brennstoffzellen (fuel cells, FC) integriert werden können. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Diagnose von Systemausfällen für die Vermarktung von PEM-Brennstoffzellen wichtig ist. Im EU-finanzierten Projekt D-CODE (DC/DC converter-based diagnostics for PEM systems) wurde ein innovatives Diagnoseverfahren entwickelt, um FC-Stapelfehler zu erkennen und die Analyse der Stapeldegradation zu unterstützen. Die Projektmitglieder übertrugen eine vielversprechende Technik – die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) – vom Labor auf die echte Welt. Mit EIS kann die Dynamik eines elektrochemischen Prozesses charakterisiert werden. Die Forscher integrierten EIS-Software und -Hardware sowohl in Hoch- als auch Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren liefert das Impedanzspektrum viele Informationen mit nur einer Messung. Zwei stationäre Anwendungen wurden in Betracht gezogen – Reserveenergieerzeugung und Kraft-Wärme-Kopplung. Durch die neue DC/DC-Wandler-Hardware und die Diagnosealgorithmen können viele Fehler und potentielle Ausfallursachen während des Betriebes online ermittelt werden. Diese Fehler beziehen sich auf elektrochemische Prozesse, defekte Bauteile (Gebläse, Leistungselektronik und Aktoren) oder externe Parameter (fehlerhafte Steuerung und kritische Belastung). Sobald das FC-System ausgeschaltet wird, überwacht ein zusätzliches Gerät mit einer speziellen Diagnosefunktion den Zustand des Stapels. Dank der implementierten Hardware und generischen theoretischen und experimentellen Methoden ist das Konzept von D-CODE leicht auf andere FC-Technologien anwendbar, etwa auf Festoxidbrennstoffzellen. Die integrierte EIS-Diagnose sollte nicht nur die Fehler- und Ausfallerkennung bei PEM-Brennstoffzellen verbessern, sondern auch zu einer verbesserten Wartung, niedrigeren Kosten sowie gesteigerter Betriebsdauer und Zuverlässigkeit führen. Eine gesteigerte Wettbewerbsfähigkeit solcher Technologien sollte die Marktaufnahme fördern, was bedeutende Vorteile für alle begünstigten Branchen, die Verbraucher und die Umwelt mit sich bringen wird.
Schlüsselbegriffe
Brennstoffzellen, Online-Diagnose, Protonenaustauschmembran, Stapeldegradation, elektrochemische Impedanzspektroskopie
