Wird eine Brennstoffzelle zu trocken oder zu feucht gefahren, ist das schlecht für Effizienz und Lebensdauer der Zelle. Im dynamischen Betrieb ist allerdings nicht immer klar, wo man sich in der Feuchtigkeitsbalance befindet. Durch eine Echtzeitmessung könnte der aktuelle Zustand erkannt und mit Feedbackloops ins Optimum versetzt werden – und Lebensdauer und Effizienz potenziell erhöht werden.
Das Stichwort dazu lautet optimiertes Wassermanagement und ist – sowohl beim Zelldesign als auch im Betrieb – einer der zentralen Bausteine für die Erhöhung von Lebensdauer und Effizienz von Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (NT-PEMBZ). Aktuelle Verfahren zur Untersuchung des Wasserhaushalts sind allerdings teuer und aufwendig, nicht an Standardzellen einsetzbar oder haben Schwierigkeiten mit der Echtzeit-Überwachung des Wasserhaushalts.
Im IGF-Projekt „US Fuel Cell - Überwachung des Wasserhaushalts in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen mittels Oberflächen-Ultraschall“ entwickelt das ZBT daher gemeinsam mit seinen Partnern an der TU Dresden und dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW Dresden) eine Methode, mit der die Wasserverteilung in NT-PEMBZ während des Betriebs mit hoher zeitlicher Auflösung detektiert werden kann. Dieses Verfahren nutzt Ultraschall-Oberflächenwellen, kann perspektivisch günstig instrumentiert und für NT-PEMBZ mit metallischen Bipolarplatten eingesetzt werden.
Das Verfahren beruht auf der messbaren Änderung der Ausbreitungseigenschaften von Oberflächenwellen in der Brennstoffzelle, wenn sich Tropfen in den Kanälen der Flowfields befinden. Diese Änderung erlaubt Rückschlüsse auf Position und Menge des Wassers. Dafür werden an mehreren Positionen in der Strömungsfeldplatte Interdigital-Wandler eingebracht, um die Wasserverteilung innerhalb der Zelle abzuleiten.
In dem Verbundprojekt soll ein Funktionsmuster zur Messung des Wasserbelags an einer Brennstoffzelle bis TRL 4 entwickelt werden. Dies erfordert eine Entwicklung und Implementierung von minimierten Ultraschallwandlern im komplexen Brennstoffzellsystem sowie die Validierung und Kalibrierung mittels einer Referenz im Röntgentomographen. Die praktische Relevanz wird durch die Anwendung in einer Brennstoffzelle im Betrieb demonstriert.
Die Kenntnis der Echtzeit-Wasserverteilung in der Brennstoffzelle kann dafür genutzt werden, verbesserte Betriebsstrategien zu entwickeln, die wiederum zu einer erhöhten Effizienz und Lebensdauer von NT-PEMBZ führen. Über dieses direkte Projektziel hinaus sind aus dem Projekt Fortschritte in Bereichen von der Sensortechnik über die Bipolarplattenoptimierung bis hin zum Brennstoffzelldesign zu erwarten.
Projektpartner:
- Professur für Mess- und Sensorsystemtechnik an der TU Dresden
- Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW Dresden)
Projektlaufzeit und Finanzierung:
Das Projekt wird durch das BMWK über das Förderprogramm IGF vom 1. April 2024 bis zum 30. September 2026 gefördert (Förderkennzeichen 01IF23280N).
Abteilung Neue Materialien und Technologien
