PROTECT - Performance-Recovery-Strategie und erweiterte Kontrolle für effiziente Brennstoffzellenbetrieb

Wasserstoff-Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzellensysteme ermöglichen im Vergleich zu Batterien große Reichweiten und kurze Tankzeiten. Für den kommerziellen Erfolg der Brennstoffzelle muss eine Lebensdauer von mehr als 5.000 Betriebsstunden bei einem max. Verlust an Zellspannung von 10% erreicht werden. Aktuelle Systeme in „Serien“-Fahrzeuge weisen in der Regel deutlich höhere Leistungsverluste auf, da sich beim Einsatz von PEM Brennstoffzellen in automobilen Anwendungen die Anforderungen an die Materialien und Betriebs- und Regelstrategien der Brennstoffzelle wesentlich erhöhen. Die ausgeprägt transienten Lastprofile erfordern eine hochdynamische Belastbarkeit der Zellen. Die lokale Luftqualität kann Einfluss auf den Kathodenkatalysator haben und die Brennstoffzelle ist – wenn nicht in Betrieb – den Umgebungstemperaturen ausgesetzt. Dabei haben sich besonders Frostbedingungen – also Temperaturen weit unter 0°C – als problematisch erwiesen. Durch die chemischen Reaktionen entsteht auf der Kathodenseite Wasser, welches beim Gefrieren zu Schädigungen führen kann. Die hochdynamischen Lastprofile eines Fahrzeugs führen bei der Brennstoffzelle zudem zu starken Schwankungen von Zustandsgrößen wie z.B. die Reaktantenverfügbarkeit und die Membranbefeuchtung. Diese haben einen wesentlichen Einfluss auf den Wirkungsgrad und die Lebensdauer der Brennstoffzelle. Um das Erreichen der anvisierten Lebensdauerziele zu ermöglichen, müssen neue Materialien aber auch gänzlich an den automobilen Einsatz optimierte Betriebsführungen des PEM Systems erarbeitet werden. Das vorliegende Projekt zielt genau auf diese Problemfelder ab und verfolgt dabei insbesondere folgende Ziele: Schädigungsarmes Verfahren für Start-up und Shutdown (speziell bei Frost), neues Regelungsverfahren für den hochdynamischen PEMBrennstoffzellenbetrieb unter impliziter Berücksichtigung der Lebensdauererhaltung bzw. - verlängerung, Fuel Cell Control Unit (FCCU) für derartige Betriebs- und Regelstrategien sowie für Cell Recovery-Strategien. Die entwickelten Lösungen sollen auf dem Stack- und Systemprüfstand validiert werden. Das Projekt ist wissenschaftlich anspruchsvoll, da es darauf abzielt, Ergebnisse in bisher nur wenig erforschten Gebieten hervorzubringen und dabei die Kooperation von WissenschaftlerInnen aus unterschiedlichsten Teildisziplinen erfordert. Die angestrebten Validierungen am Systemprüfstand bieten zudem ein hohes Potenzial für künftige kommerzielle Umsetzungen, sodass die Projektergebnisse einen wesentlichen Beitrag für die nachhaltige Mobilität durch PEM Brennstoffzellen liefern werden.