Abluftanalysen für Brennstoffzellenantriebsstränge zur Charakterisierung des Startvorganges

Kurzfassung

Ziel der Arbeit ist die konstruktive und verfahrens-technische Auslegung eines Messsys-tems, das die für den Alterungsmechanismus der kathodenseitigen Kohlenstoff-Korro-sion charakteristischen Ereignisse in der Stack-Abluft während des Start-Vorganges erfasst und quantifiziert. Diese Messung soll die charakteristischen Ereignisse fahrzeug-nah abbilden und mobil sein, um an verschiedenen Einsatzorten eingesetzt werden zu können. Die Recherche der Fachliteratur ergab, dass hohe Sauerstoff-Konzentrationen, durch die hohe Potentiale auf der Kathode entstehen, ein charakteristisches Ereignis der Kohlen-stoff-Korrosion darstellen. Des Weiteren konnte aber auch festgestellt werden, dass hohe Potentiale nicht allein den Alterungsmechanismus der Kohlenstoff-Korrosion, sondern auch andere Alterungsmechanismen auslösen. Eine Patentrecherche ergab, dass keine Erfassung der Kohlenstoff-Korrosion über die Sauerstoff-Konzentration an der Brennstoffzelle durchgeführt wird. Zur Messung der Sauerstoff-Konzentration wird das Messsystem an den Stack-Abluft-Ausgang angeschlossen. Als Sauerstoff-Sensor wird eine Breitband-Lambdasonde verwendet, die aufgrund ihrer hohen Betriebstemperatur Sicherheitsmaßnahmen in Form von Detonations-sicherungen notwendig macht. Der Durchfluss wird über eine in Schlüsselversuchen charakterisierte Kennlinie, basierend auf dem Druckverlust des Messsystems über den Durchfluss, berechnet. Bei der konstruierten Messkammer-form wird die seitliche Anströmung gegenüber der direkten Anströmung aufgrund der Robustheit gegenüber hohen Volumenströmen und dem Schutz vor Feuchtigkeit durch Sensor Shields bevorzugt. Für weitere Anwendungen wurden in Charakterisierungs-versuchen im Labor für die seitliche Anströmung Durchflüsse von 100 l/ min mit T90 = 0,35 s als optimal ermittelt. Die abschließende Inbetriebnahme am Fahrzeug zeigt, dass die Sauerstoff-Konzentration bis etwa 100 Minuten konstant unter 1 % bleibt und dann beginnt anzusteigen bis zur Umgebungs-konzentration von ~ 21 %. Dies zeigt, dass Soaks größer 100 Minuten eine steigende Belastung aufweisen. Aus bereits vorhandenen Messungen zur Spannungs-degradation im Allgemeinen geht hervor, dass Soaks mit Soak – Zeiten größer 100 Minuten den größten Teil der Spannungsdegradation aufweisen.