NIP-Vollversammlung und Statusseminar Brennstoffzelle

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1 NIP-Vollversammlung und Statusseminar Brennstoffzelle Entwicklung von Lebensdauerprognosemodellen von Brennstoffzellen in realen Anwendungen Berlin I Dr. Peter Beckhaus ZBT GmbH Zentrum für BrennstoffzellenTechnik 03ET2007 A-D

2 Überblick "Entwicklung von Lebensdauerprognosemodellen von Brennstoffzellen in realen Anwendungen" LDP Gesamtförderung: 2,6 Mio. / Bundesministerium für Wirtschaft - 03ET2007A-E Partner: Zentrum für BrennstoffzellenTechnik - ZBT GmbH, Duisburg - ZBT Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme, Freiburg FHG ISE Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg ZSW Energie-Forschungszentrum Niedersachsen Goslar / Clausthal - EFZN Technische Universität Berlin TUB / HZB

3 Relevanz / Ziele Lebensdauer ist das wesentliche Kriterium zur Markteinführung: Kundenzufriedenheit, Betriebskosten, Gewährleistung Ursachen für Lebensdauerbeschränkung liegen in Auswahl Materialien, Betriebsführung, Umgebungseinflüsse Projektziele: Zusammenhänge zwischen Materialien, Betriebsführung und Alterungsmechanismen qualifizieren und quantifizieren Entwicklung einer Software zur Untersuchung der Lebensdauerverträglichkeit von Betriebsstrategien für Brennstoffzellenstacks und Systeme

4 Herangehensweise: 2 sich ergänzende Prognosemodelle Systematische Untersuchung einzelner Schädigungsmechanismen Quantifizierung von Schädigungsmechanismen Systematisierung von Wissen Analyse und Auswertung von Labor- und Realbetriebsdaten Entwicklung von Prognosen auf Basis von Wissen und Modellen Betriebsführungsabhängiges Prognosetools für Offline-Optimierung der Systembetriebsführung Quelle: ISE Quelle: Proton-Motor

5 Alterungsuntersuchungen und Schlüsse hieraus ZBT: Langzeitversuch unterschiedliche Stromdichten: Parameterentwicklung Kulikovsky Wissenschaftliche Untersuchungen Ex-Situ und In-Situ zum betriebsabhängigen Verhalten der Zellkomponenten (BPP, Dichtungen, Membran, Diffusionslage, Elektroden) Modellbasierte Abbildung der Einzelphänomene mit gängigen physikalisch-chemischen Modellen (Berg, Larminie, Kulikovsky u.a.) Fitting-Prozesse mittel Expertenwissen optimiert, um die Multi-Parameter-Problematik in BZ-Modellen zu beherrschen Signifikante Erkenntnisse zu den Möglichkeiten und Grenzen der einzelnen Modellansätze in Bezug auf die tatsächlich ermittelten Alterungsphänomene erkannt

6 Beispieluntersuchung: Unterschiedl. Kathoden-Katalaysator-Beladung BOT 1700 h 358 start/stop 3 identische Short-Stacks mit unterschiedlicher Katalysatorbeladung (0,12 (1) / 0,24 (2) / 0,36 (3) mg/cm 2 ) Automatisierter Zyklenbetrieb mit Einbindung täglicher IV & EIS, Start-Stop-Situationen etc. Einflüsse auf Leistungsfähigkeit (Bereits bei BOT) und insbesondere Degradation ermittelt Analyse der gefitteten Modellparameter physikalische Aussagen zum Einfluss hier der Kat-Beladung auf Aktivität der Elektroden ZBT: Langzeitversuch unterschiedliche Kat-Beladung: Parameterentwicklung Kulikovsky

7 Modellbasiertes Prognosemodell Messdaten filtern Modell fitten Messdatenauswertung: Filtern transienter Ereignisse Visualisierung Fitting der Parameter des einzusetzenden Modells Standard: Larminie, alternative Modelle auswählbar oder programmierbar Zeitabhängiger Fit über die gefilterten Messdaten Visuelle Beobachtung der einzelnen Modellparameter Validierung und Hochrechnung Vergleich Modell-Ergebnisse mit realen Messdaten Hochrechnung auf Basis Betriebsdatenprognose Validierung und Hochrechnung

8 Ereignisbasiertes Prognosemodell Datenauswertung Schädigungsbewertung Automatisierte Messdatenauswertung und Visualisierung: Standard-Messdaten (Einzelzellspannung und Stromdichte) schädigende Ereignisse, z.b. Normalbetrieb, Leerlaufspannung, Start-Stopp Vorgang und schnelle Stromänderungen Bewertung der Schädigung Auf Basis von Expertenwissen und wissenschaftlichen Untersuchungen Spannungsabhängiger Schädigungsfaktor ( Badwannenkurve ) Ermittlung der effektiven Alterung Justierung der Stack-spezifischen Faktoren möglich Optimierung der Betriebsstrategie Erprobung synthetischer Lastprofile

9 Öffentlichkeitsarbeit Industrieworkshops zum Projekt Nov. ZBT in Duisburg 33 TN davon 16 Industrie Nov. ISE in Freiburg 37 TN davon 20 Industrie Jan. ZSW in Ulm 41 TN davon 25 Industrie Projektvorstellungen u.a. auf Sept F-Cell Messe Stuttgart Juni 2013 NIP VV 2013 Berlin Okt F-Cell / WOS Stuttgart Wiss. techn. Publikationen siehe Folgeseite

10 Wissenschaftliche Publikationen (außerhalb der Projektworkshops) Bonitz, S., et.al: Estimating the Lifetime of Fuel Cells by the Methods of Fatigue Strength Analysis under Variable Stress Amplitude, Materials Testing 55, 2013 S. Enz et al., Untersuchungen an PEM Brennstoffzellen unter hochdynamischen Betriebsbedingungen, ANSYS Conference & 29. CADFEM Users Meeting, 2011 S. Enz et al., Analysis of Dynamic Operating Conditions in PEMFC using ANSYS FLUENT, 8th Symposium on Fuel Cell Modelling and Experimental Validation, 2011 S. Enz et al., Experimental investigation of dynamic operating conditions associated with carbon corrosion for PEMFCs, 13th Ulm ElectroChemicalTalks, 2012 S. Enz et al., Numerical simulations of a complete PEMFC single cell with variations in current density, 13th Ulm ElectroChemicalTalks, 2012 / submitted to Journal of Power Sources, 2012 J. Scholta et al., Investigation on Dynamic Water Transport of PEMFCs combining Neutron Ra-diography and CFD Simulation, Fuel Cell Seminar & Exposition, 2012 / ECS Transactions, 51 (1) (2013) P. Beckhaus: Characterization of Composite and Metallic Bipolar Plates; Hydrogen + Fuel Cells 2011: International Conference + Exhibition, Vancouver, 2011 S. Gößling, Long-term test of PEM fuel cells with a dry cathode supply and daily EIS analyses, Workshop Characterization and quantification of MEA degradation processes September 26-27, 2012 in Grenoble, France P. Beckhaus, Dynamic PEMFC model as a base for a state classifier and controller, Fuel Cells 2012 Science & Technology, , Berlin P. Beckhaus: Influence of operation strategies on the life time of PEM fuel cells, f-cell 2013, Stuttgart, S. Goessling: Long-term test of PEM fuel cells with a dry cathode supply and daily EIS analyses, ModVal, Stuttgart, 2013 S. Goessling, M. Szesny, P. Beckhaus, A. Heinzel: Larminie based fuel cell analyses - polarization curves and EIS measurements used for sensitivity and long-term analyses, 11th Symposium for Fuel Cell and Battery Modelling and Experimental Validation, Winterthur, Ch. Sadeler: Influence of load profile on PEM fuel cell degradation: 5th Conference on Fundamentals and Developments of Fuel Cells Karlsruhe 2013 Ch. Sadeler: Approaches and Methodology on Accelerated Stress Tests in Fuel Cells, First International Workshop on Durability and Degradation Issues in PEM Electrolysis Cells and its Components, Freiburg, 12./13. März 2013 Ch. Sadeler: Analyzing the temporal development of the CCL properties during Accelerated Stress Tests, Fuel Cell Symposium, Vancouver, 3. Juni 2014 T. Arlt: Influence of Artificial Ageing of Gas Diffusion Layers on the Water Management of PEM Fuel Cells, 223rd ECS Meeting, Mai 2013, Toronto (CN) / ECS Electrochemistry Letters 3 (2) (2014) F7-F9, DOI: / eel / ECS Transactions 53 (30) (2013)

11 Ausblick Software steht zur Erprobung und Nutzung zur Verfügung ( Open Source, Bezug über EFZN) Berichte sind über TIB Uni Hannover zu beziehen Die Forschungspartner stehen für (bilaterale) Untersuchungsaufgaben zur Verfügung Projekt SoHMusDass: State-of-Health-Modellierung und Simulation, sowie Diagnose von Brennstoffzellen, -Stacks und Systemen unter Koordination von Fraunhofer ISE (BMWi, Start beantragt: 2015) mit Schwerpunkt auf reversiblen Degradationsfaktoren