Die Bedeutung und der Einfluss von Kohlenstoffdioxid in der automotiven Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenanwendung

Brennstoffzellen sind eine Alternative zu Motoren, die Leistung aus der Verbrennung von fossilen Brennstoffen generieren. Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff in Wärme, Wasserdampf und nutzbare elektrische Energie um. Diese Technik wird sowohl in stationären als auch automotiven Anwendungen eingesetzt.

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Phänomene am Beispiel eines au­tomotiven Brennstoffzellensystems untersucht. Eine grundlegende Motivation ist die Fragestellung, welchen Einfluss CO2 auf die Leistung eines spezifischen Brennstoffzellensystems hat. Dieses System besitzt aus Kostengründen eine niedrige Platinmenge als Anodenkatalysator. Das CO2 wird am Katalysator während des Betriebes teilweise zu COad umgesetzt, das als Katalysatorgift die Leistung einschränken kann. Im Anschluss an den Betrieb kann dieses Katalysatorgift durch eine definierte Abschalt-Strategie entfernt werden. Während eines Abschaltvorganges kann es zu korrosiven Zuständen im Brennstoffzellensystem kommen, die sich negativ auf die Lebensdauer auswirken können.

Im Folgenden wird zunächst die Höhe der CO2-Konzentration in einem automotiven Brennstoffzellensystem untersucht. Die Analyse basiert auf Massenspektrometermessungen, die erstmalig an einem Brennstoffzellensystem des Mercedes-Benz GLC F-Cell durchgeführt werden. Die Auswertungen umfassen die Gaszusammensetzungen auf der Anode und Kathode während des Betriebes sowie in der folgenden Abstellphase des Systems. Im Fokus liegen die CO2-Konzentrationen.

Der Einfluss des CO2 wird anschließend in einer Einzelzelle nachgestellt und die Auswirkung auf das Brennstoffzellensystem analysiert. Dazu werden der Spannungsverlust durch CO2 sowie die Bedeckung des Katalysators mittels zyklischer Voltammetrie gemessen. In einem weiteren Schritt wird aufgezeigt, inwiefern die Einflüsse im Betrieb durch CO2 minimiert werden können. In diesen Versuchen wird die Gaspermeation durch die Membran bei verschiedenen Betriebsbedingungen mittels Massenspektrometer untersucht.

Abschließend werden die gewonnenen Erkenntnisse genutzt die Betriebsführung des automotiven Brennstoffzellensystems zu optimieren. Die Optimierung führt zu einer korrosionsärmeren Ausführung des Abstellprozesses, die entscheidend zur Verbesserung der Lebensdauer des Systems beiträgt.

Fuel cells are an alternative to engines which generate power from burning fossil fuels. The fuel cells convert hydrogen and oxygen into heat, water vapour and usable electrical energy. This technique can be used in both stationary and automotive applications.

In the present work, various phenomena of an automotive fuel cell system as an example are investigated. A basic motivation is the question of how much impact CO2 has on the performance of a specific fuel cell system. For cost reasons, this system has a low amount of platinum in its anode catalyst layer. During operation CO2 is partly converted into COad at the catalyst surface. This can lead to performance reduction due to the catalyst poison COad. This catalyst poison can be removed after operation by a defined shutdown strategy. During the shutdown process, corrosive conditions can occur in the fuel cell system that negatively impact its long-term durability.

The present study first investigates the level of CO2 concentration in an automotive fuel cell system. The analysis is based on mass spectrometry measurements, which are being carried out for the first time on a fuel cell system of the Mercedes-Benz GLC F-Cell. The investigations include the operation and subsequent shutdown phase of the system. The gas compositions on the anode and cathode are evaluated. Here, the focus is on CO2 concentrations.

The influence of CO2 is subsequently investigated in a single cell and the impact on the fuel cell system is analyzed. For this purpose, the voltage loss induced by CO2 and the coverage of the catalyst are measured by means of cyclic voltammetry. In a further step it will be shown to what extent the influences by CO2 during operation can be minimized. In these experiments, the gas permeation under different operating conditions and through different membranes is examined employing a mass spectrometer.

Finally, the information gained is transferred back into an optimized operating strategy of an automotive fuel cell system. The optimized shutdown process employs a less destructive process to improve the lifetime of the system.

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