AiF-FV-Nummer 16633 N

Entwicklung eines Stickstoff-Detektors zur Überwachung des Anodenabgases von PEM-Brennstoffzellen

Status & Laufzeit

Abgeschlossen: 01.09.2010 bis 31.05.2012

Forschungsstellen

  • Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf Institut für Physikalische Chemie Flüssigphasen-Laserspektroskopie
    Universitätsstr. 1, 40225 Düsseldorf
    http://ak-bettermann.de

  • Zentrum für BrennstoffzellenTechnik gGmbH
    Carl-Benz-Str. 201, 47057 Duisburg
    http://www.zbt-duisburg.de/

Zusammenfassung

Die intensive Nutzung von Brennstoffzellensystemen wird zur Zeit durch die noch zu geringen Lebensdauern der Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) beschränkt. Die zu geringen Lebensdauern resultieren aus Degradationsprozessen, die während des Brennstoffzellenbetriebs auftreten und die Membran-Elektroden Einheiten kontinuierlich und irreversibel schädigen. Die Degradation bewirkt eine Verschmälerung der Einheiten bis hin zur Mikrorissbildung und erleichtert dadurch die Permeation von Gasen. Die Degradation kann somit über die anodenseitige Detektion von Stickstoff, der von der Kathode durch die Membran-Elektrodeneinheit zur Anode diffundiert, verfolgt werden. Zu diesem Zweck wurde ein Gasdetektor entwickelt, erprobt und erfolgreich eingesetzt, der Stickstoff querempfindlichkeitsfrei identifizieren kann. Das Detektionsprinzip basiert auf der Bogenentladungsspektroskopie. Mit dieser Methode konnte Stickstoff im Anodenabgas von Brennstoffzellen, das vorwiegend aus Wasserstoff und Wasserdampf besteht, bis in sehr niedrige ppm-Bereiche registriert werden. Ebenso zeigte sich, dass der Detektor sehr empfindlich Wasserstoff nachweisen kann. Zur Entwicklung des Detektorsystems gehörten die Optimierung der Hochspannungsversorgung, der Elektrodenmaterialien, der elektrischen Entladungsbedingungen, der Messzelle und der optischen Abbildung des emittierten Lichtes, das zur Identifikation der Spezies diente. Wegen des hohen und schwankenden Feuchtegehaltes ist eine autarke Auswertung möglich. Die Messzeiten lagen im Millisekunden bis einstelligen Sekundenbereich. Die Permeation von Stickstoff durch die MEA wurde unter Änderung der Betriebsparameter der Brennstoffzelle untersucht. Geändert wurden die Stöchiometrie, elektrische Lasten sowie anodenund kathodenseitige Flüsse und Befeuchtungsgrade. Die Abhängigkeiten der Permeation von den Betriebsparametern wurden sowohl an Einzellern als auch Brennstoffzellenstacks festgestellt. Es zeigte sich, dass der Gastransport durch die MEA wesentlich vom ihrem Befeuchtungsgrad abhängig ist. In Langzeitmessungen wurde die Degradation der MEA über die Veränderung des anodenseitigen Stickstoffsignals verfolgt. Dabei konnten bisher unbekannte Carbonylverbindungen als Abbauprodukte identifiziert werden und somit ein Beitrag zum Verständnis der Abbaureaktionen geliefert werden. Durch die simultane Messbarkeit von Stickstoff und Wasserstoff eignet sich diese Methode besonders für die Regelung von Brennstoffzellen sowohl im dead-end–Betrieb als auch für die Rezyklizierung des Wasserstoffs. Damit kann das Detektionssystem nicht nur die Degradation überwachen, sondern auch den Verbrauch an Wasserstoff optimieren und einen kostengünstigen Betrieb gewährleisten. Neben der Messung von Stickstoff und Wasserstoff konnten mit diesem Detektor auch industriell relevante Gase wie Sauerstoff, Methan, Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Ammoniak querempfindlichkeitsfrei gemessen werden. Da alle Gase bei beliebig vorliegenden Feuchten gemessen werden können, kann die Anwendung der Messmethode allgemein auf industrielle Prozesskontrolle erweitert werden. Insbesondere die Regelung von Biogasanlagen über die gleichzeitige Messung von Kohlendioxid, Wasserstoff und Ammoniak erscheint dabei aussichtsreich. Vorteilhaft für den industriellen Einsatz ist zudem, dass verschiedene Detektorausführungen je nach analytischer Fragestellung - Analyse oder Regelung von Prozessen - möglich sind. Speziell die Regelung von Prozessen kann kostengünstig realisiert werden. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Ziele des Vorhabens erreicht wurden.

Förderhinweis

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wird / wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Dokumente