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Real operation pem fuel cells HEALTH-state monitoring and diagnosis based on dc-dc COnverter embeddeD Eis

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Fortschrittliche elektrochemische Diagnostik verspricht eine Verlängerung der Lebensdauer von Brennstoffzellen

Brennstoffzellen erzeugen Strom ohne Verbrennung und liefern nur Wärme und Wasser als Nebenprodukte. Eine integrierte Technologie zur Leistungssteigerung und Kostensenkung dürfte ihre Akzeptanz in einer Vielzahl von Anwendungen erhöhen.

Energie

Die industrielle Revolution wurde größtenteils von Dampfmaschinen und Kohleverbrennung angetrieben. Dampfturbinengeneratoren, die auf die Verbrennung fossiler Brennstoffe angewiesen sind, erzeugen heute über 65 % der weltweiten elektrischen Energie. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) gehören zu den besten Lieferanten für sauberere erneuerbare Energie. Mögliche Anwendungen sind unter anderem die Wärme- und Stromerzeugung für Haushalte oder Gebäude (die sogenannte Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung oder µ-KWK) sowie die Notstromversorgung. Ein fortschrittliches Diagnose- und Überwachungsinstrument, das vom EU-finanzierten Projekt HEALTH-CODE entwickelt wurde, verspricht, die Leistung von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen erheblich zu verbessern und ihre Kosten für diese und andere Anwendungen zu senken. Einfache Reaktionen, komplexe Diagnosen Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen erzeugen Strom direkt aus Wasserstoff- und Sauerstoffgasen. Wasserstoffgas an der Anode wird in positive Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen aufgespalten. Eine katalysatorbeschichtete Polymerelektrolytmembran, die Anode und Kathode trennt, lässt nur die Protonen diffundieren. Elektronen werden auf ihrem Weg zur Kathode durch einen äußeren Stromkreis gezwungen und erzeugen dabei Elektrizität. An der Kathode verbinden sich die Elektronen und Wasserstoffionen mit Sauerstoff aus der Luft und bilden Wasser, das aus der Zelle fließt. Sowohl die Funktion als auch die Lebensdauer von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen können durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst werden, einschließlich Verunreinigungen in der Wasserstoffbrennstoffquelle oder unzureichender Versorgung mit Brennstoff oder Sauerstoff. Das Vorhandensein von Verbindungen auf Schwefelbasis in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen, beispielsweise aufgrund von Verunreinigungen im Gasstrom nach der Reformierung, kann die Katalysatorschicht vergiften. Der Wasserhaushalt spielt eine wichtige Rolle, da zu viel Wasser die Membran „überflutet" und zu wenig Wasser dafür sorgen kann, dass sie austrocknet. Das Überwachungs- und Diagnoseinstrument von HEALTH-CODE kontrolliert alle diese Bedingungen und erkennt Probleme, bevor sie die Funktion und Lebensdauer von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen unwiderruflich beeinträchtigen. Fortgeschrittene Spektroskopie bietet die Lösung Laut Projektkoordinator Prof. Cesare Pianese „beruhten frühere Ansätze zur Überwachung unter anderem auf zahlreichen herkömmlichen Sensoren für Temperatur, Druck, Massendurchfluss und Spannung. Diese erfordern umfangreiche Datenanalysen sowie Modellierungstechniken, um den Mangel an direkten Informationen zu den elektrochemischen Prozessen in den Zellen auszugleichen.“ Die Lösung von HEALTH-CODE ist ein Durchbruch für die Überwachung und Diagnose der Leistung von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen. Das Instrument nutzt die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), eine bekannte Technik, die bereits in zahlreichen Anwendungen eingesetzt wird. Sein allgemeiner Nutzen beruht auf der Fülle der gelieferten Informationen und darauf, dass es Elektrodenparameter und mehrere elektrochemische Reaktionen abdeckt, die unterschiedlich schnell ablaufen. Die Validierung in einer realen Betriebsumgebung bestätigte, dass das Instrument einen Fehlermodus erkennen kann, bevor ein unwiderruflicher Schaden auftritt, und zwar zuverlässiger als bei früheren Ansätzen, wobei die Integration die Produktionskosten um weniger als 3 % erhöht. Die daraus resultierenden geringeren Betriebs- und Wartungskosten sind ein wesentlicher Anreiz für die Einführung von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen. Nach Angaben von Pianese wird „die Nutzung zu einer verbesserten Wartung, Integration innerhalb neuer Energieparadigmen wie intelligente Gebäude/Netze und einer besseren Bewirtschaftung virtueller Kraftwerke führen.“ Darüber hinaus könnte die Technologie bald Anwendungen zugute kommen, die über die auf Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen basierende Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung und Notstromversorgung hinausgehen. Unter anderem könnten mobile Systeme (Fahrzeuge, Busse, Züge) die ersten auf Brennstoffzellen basierenden Technologien sein, die von einer EIS-basierten Überwachung und Diagnose profitieren. Dank zweier erfolgreicher gemeinsamer Workshops zur Steigerung des öffentlichen Interesses sollte die Innovation auch lange nach Abschluss des Projekts noch weiter vorangetrieben werden. Zudem ist die Entwicklung eines „Wachstumsökosystems“ geplant, das die Zusammenarbeit von Akteuren auf regionaler, nationaler und internationaler Ebene fördert.

Schlüsselbegriffe

HEALTH-CODE, Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC), Überwachung, Wasserstoff, elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), Elektrizität, Brennstoffzelle, Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung (µ-KWK)

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