Untersuchung neuartiger Membranelektrodeneinheiten in der Hochtemperatur-Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle in Bezug auf luftfahrtrelevante Betriebsparameter

Kurzfassung

In dieser Arbeit werden neuartige Membranelektrodeneinheiten (MEAs) hinsichtlich ihrer Eigenschaften und der Möglichkeit, sie in einem elektrifizierten Antriebsstrang in der Luftfahrt einzusetzen, untersucht. Als Referenz dient eine Celtec-1-MEA. Die Membran der neuartigen Celtec-2-MEA wird durch das PPA+-Verfahren aus einer Celtec-1 hergestellt. Am Einzelzellen�teststand werden verschiedene Messreihen mit unterschiedlichen Betriebsparameter (Betriebsdruck, Zelltemperatur, Stromdichte) mithilfe von elektrochemischen Charakterisierungen und Ex-Situ-Untersuchungen durchgeführt. Die Untersuchung von unbenutzten MEAs hat gezeigt, dass Dicke und Gewicht von Celtec-2 aufgrund des niedrigeren Säuregehalts der Membran abnimmt. In der Parametervariation wurden wesentliche Unterschiede und Gemeinsamkeiten bei unterschiedlichen Zelltemperaturen und Betriebsdrücken der beiden MEA-Typen festgestellt: (i) trotz des geringeren Säuregehalts von Celtec-2 sind die Zellspannungen und -leistungen sehr ähnlich, (ii) die Degradation ist geringer und (iii) eine Erhöhung des Betriebsdrucks führt aufgrund der mechanischen Stabilität der Celtec-2-Membran zur besseren Ausnutzung der erhöhten Reaktionskinetik. In einer weiteren Messreihe wurden die maximalen Belastungen, die in einem elektrifizierten Antriebsstrang auftreten können, untersucht. Hierbei zeigte sich, dass bei Celtec-2 vermehrte Spannungsverluste auftreten. Bei Celtec-1 treten diese Verluste durch aufgenommenes Produktwasser teilweise nicht auf. In einer dritten Messreihe wurden verschiedene Einfahrprozeduren untersucht. Hieraus ergab sich, dass eine Kombination aus erhöhten Betriebsdruck (3 bara) und höherer Stromdichte (0.6 – 1.0 A cm-2 ) gegenüber der standardisierten Einfahrprozedur (1 bara, 0.3 A cm-2 ) eine bestmögliche und schnellere Aktivierung ermöglichen könnten. Aus der technische Einordung der Ergebnisse folgt, dass das System einer HT-PEMBZ gegenüber einer NT-PEMBZ signifikant vereinfacht werden kann, da auf eine Befeuchtungseinheit verzichtet und die Kühlung kompakter ausgeführt werden kann. Gleichzeitig nimmt der Stack aufgrund einer niedrigeren Leistungsdichte und schwerer Bipolarplatten mehr Bauraum und Gewicht in Anspruch.