Verbundvorhaben ISEHM - Industrialisierung eines Stromerzeugers mit HT-PEM Brennstoffzelle und integriertem Methanol Reformer; Teilvorhaben: HT-PEM Designoptimierung und -test zur Industrialisierung eins BZ-Stromerzeugers

Abstract

Ziel des Projekts ISEHM ist es, die marktreife Serienproduktion von 5 kW-Stromgeneratoren auf Basis der HT-PEM Brennstoffzellentechnologie und eines integrierten Methanol-Reformers zu ermöglichen. In diesem Rahmen führte das ZSW Entwurfs- und Optimierungsaufgaben eines Zell- und Stapeldesigns durch, nachdem eine von dem Partnerunternehmen fes bereitgestellte Grundgeometrie definiert worden war. In einem weiteren Teil des Projekts wurde der entwickelte Stapel durch eine umfassende Leistungs- und Lebensdauercharakterisierung mittels beschleunigter Dauerlaufprüfung validiert. Weiterhin wurden im Rahmen des Projekts umfassende in situ- und ex-situ-Tests, insbesondere von neuen und betriebenen MEA-Einheiten sowie von Gasdiffusionslagen hinsichtlich physikalischer und elektrochemischer Parameter durchgeführt. Die Daten wurden umfassend ausgewertet, einschließlich der größtmöglichen Zuordnung der Degradationseffekte. Um die Anforderungen des Langzeitbetriebs des Stapels als Teil des methanolbetriebenen Stromgeneratorsystems angemessen zu simulieren, wurde ein beschleunigtes Testverfahren abgeleitet und durchgeführt. Insgesamt wurde eine Testdauer von > 1.700 Stunden erreicht. Für den zeitabhängigen Zellspannungsverlauf ergibt sich ein Wert von ca. 54 μV/Dekade @ 65 A sowie ein Wert von ca. 25 µV/Dekande @ 16,5 A. Insgesamt dominiert bei geringen Stromdichten der Effekt der Katalysatoralterung, bei hohen Stromdichten erhöht sich der Anteil der Stofftransporteffekte und dominiert hier gemeinsam mit der Katalysatoralterung. Ergänzend zu den Langzeittests im Stack wurden umfangreiche ex-situ-Charakterisierungen von GDEs und GDE-Membran Verbünden durchgeführt, um die Auswahl geeigneter Materialien sowie die Identifikation geeigneter, langzeittauglicher Betriebsbedingungen zu unterstützen. Zu diesem Zweck wurden Messungen der Kompressibilität, der elektrischen Leitfähigkeit sowie der Kontaktwinkel durchgeführt. Die Kompressibilitätsmessungen erfolgten dabei bei Temperaturen von bis zu 160°C und einer Versuchsdauer von bis zu 75 h.