Charakterisierung und Modellierung von Degradationsprozessen in PEM-Brennstoffzellen<\/p>\n
Brennstoffzellenantriebe bieten enormes Potential, zur Reduktion der globalen CO2-Emissionen des Verkehrssektors beizutragen. Seit Jahren steigt der Marktanteil an Brennstoffzellenfahrzeugen, dennoch sind diese noch nicht konkurrenzf\u00c3\u00a4hig mit herk\u00c3\u00b6mmlichen Verbrennungsmotoren. Grund daf\u00c3\u00bcr sind hohe Herstellungskosten durch die Verwendung von Platinkatalysatoren sowie ein nicht reversibler Leistungsabfall der Zellen im Laufe des Betriebs (Degradation) und eine damit verbundene kurze Lebensdauer. Gegenstand dieser Promotion ist die Charakterisierung und Modellierung von Degradationsprozessen der Kathodenseite einer PEM-Brennstoffzelle, um zu verstehen, welche Zelleigenschaften und Betriebsbedingungen ma\u00c3\u0178geblich f\u00c3\u00bcr den beobachteten Leistungsabfall sind und in der Folge Verbesserungs- und Regelungsans\u00c3\u00a4tze zu finden.<\/p>\n
Dazu wurden zun\u00c3\u00a4chst umfassende beschleunigte Alterungstests an Laborzellen durchgef\u00c3\u00bchrt. Der Zelle wurden im Rahmen verschiedener standardisierter Alterungsprotokolle bestimmte Potentiale aufgepr\u00c3\u00a4gt, welche Charakteristika einer Autofahrt wie beispielsweise Beschleunigungsvorg\u00c3\u00a4nge oder Fahrt bei gleichbleibendem Tempo simulieren. Dies hat morphologische \u00c3\u201enderungen der Kathodenstruktur zufolge, so etwa verschiedene Migrationsprozesse der Platin-Katalysatorpartikel oder Korrosion der Kohlenstoff-Tr\u00c3\u00a4gerstruktur. Mittels der vorgenommenen Experimente wurden solche Degradationsprozesse insbesondere hinsichtlich ihrer gegenseitigen Wechselwirkungen sowie ihrer Abh\u00c3\u00a4ngigkeit von den angelegten Betriebsbedingungen charakterisiert.<\/p>\n
Die gewonnenen Erkenntnisse wurden zur Erstellung eines ganzheitlichen, belastbaren State-of-Health-Modells genutzt. Dieses Modell besteht aus zwei Teilmodellen. Kernelement ist ein Degradationsmodell, das dominierende Degradationsprozesse, deren Interaktion und als Konsequenz die Ver\u00c3\u00a4nderung der Kathodenmorphologie beschreibt. Zweites Teilmodell ist ein Performancemodell, das weitere Zellkomponenten wie Gasdiffusionsschichten und Membran sowie die \u00c3\u00a4u\u00c3\u0178erlich vorgegebenen Betriebsbedingungen ber\u00c3\u00bccksichtigt. Mit letzterem kann in Kombination mit der vom Degradationsmodell berechneten Kathodenstruktur die aktuelle Leistung der Zelle simuliert und direkt mit experimentellen Messungen verglichen werden.<\/p>\n
Beide Teilmodelle wurden w\u00c3\u00a4hrend der Erstellung und der\u00c2\u00a0Kopplung zum State-of-Health-Modell ausgiebig anhand der eigenen Messungen sowie Literaturdaten validiert. Die Simulationsergebnisse des State-of-Health-Modells zeigen, dass das das Modell quantitativ belastbare Vorhersagen des Zellverhaltens f\u00c3\u00bcr ein breites Spektrum an Betriebsszenarien\u00c2\u00a0trifft. In der verbleibenden Promotionszeit soll daher durch geeignete Modellreduktion eine schnelle Berechnung und damit ein Einsatz zur Echtzeit-Diagnose oder Regelung erm\u00c3\u00b6glicht werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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