Theoretische Studie zum Kaltstart von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen

Abstract

Sowohl beim Einsatz in der Luftfahrt als auch beim Einsatz in der Automobilindustrie werden Brennstoffzellensysteme kalten Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Zum ordnungsgemäßen und zuverlässigen Betrieb ist eine ausreichende Kaltstartfähigkeit der Brennstoffzellensysteme sicherzustellen. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss verschiedener Betriebsparameter auf die Kaltstartfähigkeit von Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen bei Temperaturen bis zu -40 °C in einer Systemsimulation untersucht. Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Parameter sind die Zellspannung im potentiostatischen Betrieb, die Dauer des Spülvorgangs vor Beginn des Kaltstarts und die Masse des Kühlmittels im Kühlkreislauf. Es wurde ein Modell erstellt, welches das nichtlineare Strom- und Spannungsverhalten der Brennstoffzellen, die Wärmeerzeugung und -abgabe, Diffusionsvorgänge in der Membran und die Eisbildung während des Kaltstartvorgangs in einem Brennstoffzellensystem abbildet. Das Modell wurde mit Messdaten des DLR zum Kaltstart eines Brennstoffzellensystems mit einer Leistung im Bereich einiger kW parametriert und validiert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Dauer bis zum Erreichen einer Leistungsabgabe von 50 % der Nennleistung mit abnehmender Anfangstemperatur überproportional zunimmt. Von den untersuchten Betriebsparametern hat die Zellspannung den größten Einfluss auf die Kaltstartfähigkeit. Eine längere Dauer des Spülvorgangs bietet nur in bestimmten Betriebsbereichen Vorteile für die Kaltstartfähigkeit. Durch die Masse des Kühlmittels im Kühlkreislauf wird die Kaltstartfähigkeit nur bei bestimmten Kombinationen von Membranfeuchte und Zellspannung entscheidend beeinflusst. Mit dem Simulationsmodell wurden für das untersuchte Brennstoffzellensystem optimale Parameter für einen möglichst schnellen und einen möglichst zuverlässigen Kaltstart ermittelt.