View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

11 Zusammenfassung und Ausblick
Um die Konkurrenzfähigkeit von Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEFCs) zu bereits am
Markt etablierten Technologien zu erreichen, besteht ein erheblicher Optimierungsbedarf der
Brennstoffzellentechnologie. Die in der vorliegenden Arbeit beschriebenen Ansätze sollen dazu
beitragen, die Auslegung von PEFC-Stacks der 5 kW Klasse hinsichtlich unterschiedlicher Auslegungskriterien
wissenschaftlich fundiert zu optimieren. Bei der Auslegung und Optimierung
derartiger Zellstapel erfordert die Vielzahl an Einflussgrößen einen breiten Ansatz. Das
vorrangige Ziel dieser Arbeit besteht darin, einen solchen breiten Ansatz zu verfolgen, um
Wechselwirkungen der Einzelkomponenten des Stacks untereinander zu erfassen und diese
auf eine neue Modell-Grundlage zu stellen. Dabei können die abstrahierten Lösungswege und
Ergebnisse zu einem hilfreichen Werkzeug bei der Auslegung und Optimierung zukünftiger
Brennstoffzellenstapel auch anderer Leistungsklassen werden.
Ein neuartiger, quasi eindimensionaler (Q1D) Modellansatz zur Leistungscharakterisierung von
PEFCs in Form von Spannungs-Stromdichte-Kennlinien wird hergeleitet. Der Q1D-Ansatz berücksichtigt,
dass sich die in Experimenten gemessene Spannungs-Stromdichte-Kennlinie (U-i-
Kennlinie) einer Brennstoffzelle aufgrund verschiedener Einflussfaktoren aus unterschiedlichen
lokalen U-i-Kennlinien zusammensetzt. Die systematische Applikation des Modellansatzes auf
einen aus mehreren U-i-Kennlinien bestehenden Messdatensatz erlaubt, funktionale Abhängigkeiten
der Modellparameter abzuleiten. Diese Abhängigkeiten ermöglichen es, die Leistungscharakteristik
der betrachteten Brennstoffzelle unter variierenden Betriebsparametern mit hoher
Genauigkeit vorherzusagen. Unter Verwendung des Q1D-Modellansatzes kann demnach die
Anzahl der zur Leistungscharakterisierung einer Zelle benötigten Experimente deutlich verringert
werden. Anhand des für den 5 kW Zellstapel ausgewählten Zelldesigns werden die Auswirkungen
auf das Leistungsverhalten bei Variation der Modellparameter mittels einer Sensitivitätsanalyse
bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass eine effektive Steigerung der Leistung durch
Vergrößerung der Katalysatoroberfläche und Steigerung der Katalysatoraktivität erreicht werden
kann. Für unterschiedliche Stromdichten und Betriebsdrücke wird die spezifische Zellleistung in
Abhängigkeit des kathodenseitigen Reaktandenumsatzes ermittelt. Der empfohlene maximale
Umsatz verschiebt sich mit abnehmendem Betriebsdruck und steigender Stromdichte hin zu
einem höheren Sauerstoffstöchiometriekoeffizienten.
Als Grundlage für die Auslegung des 5 kW Zellstapels dienen experimentelle Untersuchungen
an Einzelzellen und Short-Stacks. Untersucht werden unter anderem die Einflüsse unterschiedlicher
Strömungsstrukturen und Bipolarplattenmaterialien sowie variierender Betriebsparameter
auf die Zellleistung. Die Auswertung der Ergebnisse führt zur Auswahl von Bipolarplatten auf
Basis von Graphit-Composit-Material mit Mäander-Strömungsstruktur für den Einsatz im 5 kW
Zellstapel. Zur Bestimmung der durch die Betriebsparametervariationen hervorgerufenen loka-