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. Datei-Upload durch TIB The goal of the ISEHM project is to enable the market-ready series production of 5 kW power generators based on HT-PEM fuel cell technology and an integrated methanol reformer. Within this framework, ZSW carried out design and optimization tasks for a cell and stack design after defining a basic geometry provided by the partner company fes. In a further part of the project, the developed stack was validated through comprehensive performance and lifetime characterization using accelerated endurance testing. Furthermore, comprehensive in situ and ex situ tests were conducted within the project, particularly on new and operating MEA units and gas diffusion layers with regard to physical and electrochemical parameters. The data were comprehensively evaluated, including the greatest possible attribution of degradation effects. To adequately simulate the requirements of long-term operation of the stack as part of the methanol-powered power generator system, an accelerated test procedure was derived and implemented. A total test duration of >1,700 hours was achieved. The time-dependent cell voltage curve results in a decay value of approximately 54 μV/decade @ 65 A and a value of approximately 25 μV/decade @ 16.5 A. Overall, the effect of catalyst aging dominates at low current densities; at high current densities, the proportion of mass transport effects increases and dominates together with catalyst aging. In addition to the long-term stack tests, extensive ex-situ characterizations of GDEs and GDE membrane composites were carried out to support the selection of suitable materials and the identification of suitable, long-term operating conditions. For this purpose, measurements of compressibility, electrical conductivity, and contact angles were performed. The compressibility measurements were carried out at temperatures of up to 160°C and a test duration of up to 75 hours.