Getrieben durch die weltweiten Bemühungen zur CO2-Reduktion für mobile Anwendungen stellt die Brennstoffzelle als alternativer Energiewandler einen Schwerpunkt der aktuellen Forschungstätigkeit dar. Während die allgemeine Funktionstüchtigkeit bereits mehrfach durch Kleinserien verschiedener OEMs bewiesen wurde, scheitert eine breite Markteinführung nach wie vor an den hohen Fertigungskosten des Systems. Insbesondere metallisch umgeformte Bipolarplatten werden als aussichtsreiche Möglichkeit zur Kostenreduktion von Polymerelektrodenmembran (PEM)-Brennstoffzellensystemen angesehen. Den vergleichsweise günstigen Werkstoffkosten und der hohen Produktivität von Umformprozessen steht die Herausforderung gegenüber, dass Metalle in saurer Umgebung dazu neigen, in Lösung zu gehen. Die ausgeschwemmten Ionen verunreinigen die Membrane Electrode Assembly (MEA) und führen letztendlich zu deren Versagen. Daher ist eine Beschichtung zum Korrosionsschutz zwingend notwendig. Diese setzt gleichzeitig den Kontaktwiderstand herunter und erhöht den Wirkungsgrad des Systems. Aus wirtschaftlicher Sicht ist ein Beschichtungsprozess vor dem Umformen, auf planares Substrat zu bevorzugen, da geneigte Oberflächen diesen erschweren. Dazu muss die Voraussetzung erfüllt werden, dass die Beschichtung nach dem Umformvorgang weiterhin ausreichend Korrosionswiderstand bietet und der Kontaktwiderstand innerhalb des Zielwertes bleibt. Um ebendiese Relationen näher zu erforschen, erfolgte zunächst die Herstellung von Probekörpern mit einem definiert eingebrachten Umformgrad. Als Probenmaterial wurde eine mit amorphem Kohlenstoff beschichtete 1.4404-Metallfolie der Dicke 0,1 mm genutzt. Dazu konnte innerhalb von numerischen Berechnungen zunächst ein Spektrum verschieden ausgeprägter Umformgrade im einachsigen Zugversuch berechnet werden, während nachfolgend die experimentelle Herstellung mit Hilfe einer Zug-Druck-Prüfmaschine erfolgte. Die nachfolgend geplante Erforschung der Abhängigkeit von dem nach Department of Energy (DoE) gemessenen Korrosionsstrom führte zu umfassenden Herausforderungen bei der Erfassung der Korrosionsstromdichten. Um diese näher zu detaillieren erfolgte eine Analyse zum Aufbau der Messsysteme sowie den damit einhergehenden bereits identifizierten Problemen im Dichtkonzept. Nachfolgend wurde eine exakte Betrachtung der weiterführenden Messunsicherheiten sowie damit einhergehender Interpretationsschwierigkeiten der Messergebnisse dargestellt. Als Auswertungsgröße dienten hierfür die innerhalb der Experimente ermittelten Messkurven.

Ziel dieser Arbeit ist es, eine simulationsbasierte Untersuchung des Betriebs eines PEM-Brennstoffzellensystems mit besonderem Fokus auf den Wasserhaushalt zu ermöglichen. In PEM-Brennstoffzellen sind die Wechselwirkungen in Bezug auf den Feuchtehaushalt z.B. von Transportmechanismen, Degradation und Leistung abhängig. Im PEM-Brennstoffzellensystem werden die Wechselwirkungen der Feuchte durch eine mögliche Rezirkulation und/oder eine passive Befeuchtung der Kathode erweitert, Um diese Abhängigkeiten korrekt darzustellen, wurde ein PEM-Brennstoffzellen Stack-Modell entwickelt, das einerseits einen hohen Grad an Detailtreue und andererseits hohe Anforderungen an die Laufzeit erfüllt, um akzeptable Simulationszeiten für Brennstoffzellensystemsimulationen zu ermöglichen. Der Kern des Modells ist eine neuartige 2-D + 1-D Struktur, die flächenspezifische Bedingungen, wie z.B. trockene Kathodeneinlass- und feuchte Kathodenauslassbedingungen in Abhängigkeit von Gleich- oder Gegenstromstrukturen, löst. Um diesen Anforderungen an die Laufzeit gerecht zu werden, wurde ein numerischer Löser entwickelt, der speziell an die Struktur und den Inhalt angepasst ist. Das Brennstoffzellenmodell und dessen Möglichkeiten zur Integration in eine Systemsimulation werden in dieser Arbeit vorgestellt. / The aim of this work is to enable simulation based investigation of the operation of a PEM fuel cell system, with the special focus on its water management. For PEM fuel cells their multi-level interaction regarding humidity is characteristic depending e.g. on transport mechanisms, degradation and performance. In the PEM fuel cell system, the interaction of the humidity is further enhanced by a possible recirculation and passive humidification systems of the cathode. In order to display these dependencies correctly, a PEM fuel cell stack model has been developed, which on the one hand meets high degree of resulting details and on the other hand meets high requirements concerning its runtime, to enable acceptable simulation times for fuel cell system simulations. The core of the model is a novel 2-D + 1-D structure that resolves area specific conditions, such as dry cathode inlet and wet cathode outlet conditions in dependence of co- or counter flow fields. To meet those requirements regarding its runtime a numerical solver has been developed that is specially adapted to the structure and content. The fuel cell model as well as its possibilities with respect to the integration in system simulation is presented in this work.

In dieser Veröffentlichung wird ein methodischer Syntheseansatz aufgeführt, welcher in einem frühen Entwicklungsstadium zu einer ganzheitlichen Vorbetrachtung möglicher Konzeptvarianten befähigt. Hierfür werden zunächst parametrisierte Gleichungen zur Beschreibung von Flussfeldstrukturen und der Kanalquerschnittskonturen hergeleitet. Mithilfe dieser wird im Rahmen des Synthesealgorithmus die automatisierte Generierung und Berechnung möglicher Konzeptvarianten gewährleistet. Abschließend wird der Synthesealgorithmus im Rahmen einer beispielhaften Parameterstudie verdeutlicht. Hierfür wird ein Anforderungsprofil definiert. Die Ergebnisse der Parameterstudie werden aufgeführt und bewertet. Aus einer exemplarischen Nutzwertanalyse auf Basis ausgewählter Vergleichskriterien resultiert am Ende eine Bestvariante, welche für weitere Entwicklungsschritte herangezogen werden kann.

Das Fraunhofer IPT untersucht verschiedene Umformverfahren für das Formen metallischer Bipolarplatten wie das Streckziehen, Rubberforming und Hydroforming. Verschiedene Edelstähle wie 1.4301 und 1.4404 sowie Titanwerkstoffe werden dabei berücksichtigt. Durch Simulationen sowie experimentelle Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass die auftretenden Normalkräfte und Scherspannungen im Kontakt zwischen Werkzeug und Blech beim Streckziehen größer sind als bei den beiden anderen Verfahren. Dadurch werden bei gleichen Spannungen im Material geringere Umformgrade erreicht. Hinsichtlich des Potenzials für das Upscaling der Produktion ist das Streckziehen im Folgeverbundwerkzeug aufgrund der einfachen Automatisierbarkeit und des Handlings bei geringen Zykluszeiten geeignet. / Fraunhofer IPT analyzes different technologies for the forming of metallic bipolar plates. Among them are stamping, rubberforming and hydroforming. Different materials like stainless steel (1.4301 and 1.4404) and titanium are considered. Numerical simulations and experimental validation show that contact pressure and shear stress in the contact between tool and sheet are larger for stamping processes. This leads to limited grades of deformation. Nevertheless, stamping in progressive die tools is a suitable forming technology for upscaling of the production of metallic bipolar plates as it has short cycle times and handling of the sheets can be automated easily.

Mit der vorliegenden Arbeit soll ein Beitrag zur ganzheitlichen Betrachtung eines erdgasbetriebenen Brennstoffzellen-Heizgerätes mit PEMFC und Autothermer Reformierung zur Kraft-Wärme-Kopplung im Einfamilienhaus geleistet werden. Wesentliches Ziel besteht in der Entwicklung und Anwendung eines BZH-Modells im Leistungsbereich bis 10 kWel das die thermischen und elektrischen Betriebsverhältnisse bei dynamischer Arbeitsweise insbesondere in Kopplung mit einem Spitzenlastkessel mit hinreichender Genauigkeit beschreibt. Auf Basis der gekoppelten Simulation von Gebäude und Anlagentechnik unter Berücksichtigung von Nutzereinflüssen werden umfassende Untersuchungen zum Betriebsverhalten und zur optimalen Dimensionierung von BZHs durchgeführt und nach energetischen, wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten bewertet. Die Untersuchung ergab folgende wesentliche Resultate: Gegenüber modernen Energieumwandlungstechnologien mit Brennwertgeräten zur hocheffzienten Wärmeversorgung und GuD-Grundlastkraftwerken zur Bereitstellung elektrischen Stromes erzielt die KWK-Nutzung mit Brennstoffzellen primärenergetische Einsparpotenziale bis zu 21%. Bereits bei niedriger BZH-Auslegung (auf den mittleren elektrischen Haushaltsbedarf)wird deren Energiebedarf um ca. 3% unterschritten. Günstige BZH-Dimensionierungen für den Einsatz im Einfamilienhaus liegen zwischen Pel=1,0 ... 2,0 kW (QBZH=2,5 ... 4,6 kW) in Verbindung mit einem BW-Spitzenlastkessel. Mit der BZH-Bemessung auf die maximale Heizlast (Gebäudewärmebedarf und TWE) sind die niedrigsten primärenergetischen Aufwendungen zu erreichen. Oberhalb dieser Dimensionierung sind keine weiteren Einsparungen zu erwarten. Während separat betrachtet die elektrischen und thermischen Effizienzen von BZ-KWK-Anlagen vergleichsweise niedrig sind, spielt die gekoppelte Erzeugung verbunden mit hohen Gesamtnutzungsgraden die entscheidende Rolle. Mit dem generierten elektrischen BZ-Strom wird der mit höheren Abwärmeverlusten erzeugte Kraftwerksstrom ersetzt. Dieser Vorteil der Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellen im Wohngebäude kommt nur bei der Nutzung von elektrischer und thermischer Energie zum Tragen. Bei nichtintermittierendem Betrieb fällt Überschusswärme an, die an die Umgebung abzuführen ist. Außerhalb der Heizperiode stellen sich somit energetische Mehraufwendungen im Vergleich zum wärmegeführten Betrieb ein. In der Kombination von BZ-Technik und Spitzenlastkessel sind lange BZH-Betriebszeiten zu garantieren. Diesbezüglich ist die Regelung zur Trinkwasser-Erwärmung - insbesondere in den Sommermonaten - zum optimalen Betrieb ausschlaggebend. Die teilweise Deckung des Haushaltsstrombedarfs und der Verkauf elektrischer Arbeit senken gegenüber dem konventionellen Energiebezug maßgeblich die Betriebskosten. Durch geltende BZ-Fördermaßnahmen werden per se jährliche Energiekosten gespart. Diese Einsparungen können zur mittelfristigen Refinanzierung der vergleichsweise teureren Anlagenkosten beitragen. Auf Basis der Betriebskosten-Einsparung gegenüber konventioneller Technik sind die Grenzkosten der BZH-Investition für den wärmegeführten, intermittierenden Betrieb abschätzbar. Unter Annahme einer BZ-Stack-Lebensdauer von einem Jahr beträgt die maximale Investition bei einer elektrischen BZH-Nettoleistung von beispielsweise Pel=1,0 kW rund I0,BZH=1066 EUR.

The assessment of performance for PEM Fuel Cells (PEMFC) at the stack, Single Repeating Unit (SRU), and Membrane Electrode Assembly (MEA) level is dominated by the evaluation of polarization curves. However, polarization curves do not provide adequate detail as to the origin of the inefficiencies of the fuel cell performance and information on these sources of origin are critical to understand and address topics such as material selection, optimal operating conditions, and overall robust and reliable cell and stack design characteristics. To the purpose of understanding the origin of the inefficiencies underlying the fuel cell polarization curve a series of additional experimental and analysis techniques must be applied and from the resultant data the origin of the inefficiencies can then be assigned to kinetic, ohmic, and mass transport loss categorizations. Further, through a combination of the diagnostic methods further resolution can be implied down to the contribution of the individual components to the relative voltage loss categories. In this topic, a methodology will be presented and discussed that achieves and demonstrates this process.

Fuel cells are an excellent opportunity to address the challenges of the energy supply of the future. The polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) stack consists of several core components such as the bipolar plates (BPP) and membrane electrode assembly (MEA). BPPs have an influence on stack dimensions, performance and lifetime as well as costs. The challenge is to design an optimal BPP for specific applications, considering the manufacturing effort and costs. Basically, two material concepts are currently available: polymer composite materials or metals. Compared to metallic BPPs, polymer-based BPPs show a longer service life and allow a high geometrical flexibility. Metallic BPPs possess a very thin overall thickness which makes them preferable for use in commercial automotive sector. Depending on the base material, different manufacturing processes are required. This article presents a comparison and an assessment of BPPs regarding possible manufacturing processes as well as resulting costs.

Mit der vorliegenden Arbeit soll ein Beitrag zur ganzheitlichen Betrachtung eines erdgasbetriebenen Brennstoffzellen-Heizgerätes mit PEMFC und Autothermer Reformierung zur Kraft-Wärme-Kopplung im Einfamilienhaus geleistet werden. Wesentliches Ziel besteht in der Entwicklung und Anwendung eines BZH-Modells im Leistungsbereich bis 10 kWel das die thermischen und elektrischen Betriebsverhältnisse bei dynamischer Arbeitsweise insbesondere in Kopplung mit einem Spitzenlastkessel mit hinreichender Genauigkeit beschreibt. Auf Basis der gekoppelten Simulation von Gebäude und Anlagentechnik unter Berücksichtigung von Nutzereinflüssen werden umfassende Untersuchungen zum Betriebsverhalten und zur optimalen Dimensionierung von BZHs durchgeführt und nach energetischen, wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten bewertet. Die Untersuchung ergab folgende wesentliche Resultate: Gegenüber modernen Energieumwandlungstechnologien mit Brennwertgeräten zur hocheffzienten Wärmeversorgung und GuD-Grundlastkraftwerken zur Bereitstellung elektrischen Stromes erzielt die KWK-Nutzung mit Brennstoffzellen primärenergetische Einsparpotenziale bis zu 21%. Bereits bei niedriger BZH-Auslegung (auf den mittleren elektrischen Haushaltsbedarf)wird deren Energiebedarf um ca. 3% unterschritten. Günstige BZH-Dimensionierungen für den Einsatz im Einfamilienhaus liegen zwischen Pel=1,0 ... 2,0 kW (QBZH=2,5 ... 4,6 kW) in Verbindung mit einem BW-Spitzenlastkessel. Mit der BZH-Bemessung auf die maximale Heizlast (Gebäudewärmebedarf und TWE) sind die niedrigsten primärenergetischen Aufwendungen zu erreichen. Oberhalb dieser Dimensionierung sind keine weiteren Einsparungen zu erwarten. Während separat betrachtet die elektrischen und thermischen Effizienzen von BZ-KWK-Anlagen vergleichsweise niedrig sind, spielt die gekoppelte Erzeugung verbunden mit hohen Gesamtnutzungsgraden die entscheidende Rolle. Mit dem generierten elektrischen BZ-Strom wird der mit höheren Abwärmeverlusten erzeugte Kraftwerksstrom ersetzt. Dieser Vorteil der Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellen im Wohngebäude kommt nur bei der Nutzung von elektrischer und thermischer Energie zum Tragen. Bei nichtintermittierendem Betrieb fällt Überschusswärme an, die an die Umgebung abzuführen ist. Außerhalb der Heizperiode stellen sich somit energetische Mehraufwendungen im Vergleich zum wärmegeführten Betrieb ein. In der Kombination von BZ-Technik und Spitzenlastkessel sind lange BZH-Betriebszeiten zu garantieren. Diesbezüglich ist die Regelung zur Trinkwasser-Erwärmung - insbesondere in den Sommermonaten - zum optimalen Betrieb ausschlaggebend. Die teilweise Deckung des Haushaltsstrombedarfs und der Verkauf elektrischer Arbeit senken gegenüber dem konventionellen Energiebezug maßgeblich die Betriebskosten. Durch geltende BZ-Fördermaßnahmen werden per se jährliche Energiekosten gespart. Diese Einsparungen können zur mittelfristigen Refinanzierung der vergleichsweise teureren Anlagenkosten beitragen. Auf Basis der Betriebskosten-Einsparung gegenüber konventioneller Technik sind die Grenzkosten der BZH-Investition für den wärmegeführten, intermittierenden Betrieb abschätzbar. Unter Annahme einer BZ-Stack-Lebensdauer von einem Jahr beträgt die maximale Investition bei einer elektrischen BZH-Nettoleistung von beispielsweise Pel=1,0 kW rund I0,BZH=1066 EUR.

Ein bedeutender Punkt in der Brennstoffzellentechnologie ist der Einsatz von platinhaltigen Elektroden, welche die Brennstoffzellentechnologie zu einer teuren Technologie macht. Zum jetzigen Zeitpunkt werden die katalytischen Schichten in großen Maßstäben als Endlos-Elektroden produziert, was dazu führt, dass die einzelnen Elektroden für die Stacks ausgeschnitten und hierbei viel nicht genutztes Elektrodenmaterial, sprich Abfall entsteht. Dieser kann später recycelt werden, jedoch ist eine 100 %ige Rückgewinnung der eingesetzten Rohstoffe nicht möglich. Die Drucktechnik bietet eine Möglichkeit diese Entstehung von Abfall zu vermeiden. Mittels der verschiedenen Drucktechnologien, wie z. B. Inkjet-, Tief- und Siebdruck ist es möglich Elektroden mit gezielten Geometrien zu fertigen, sprich die Elektrodenschichten werden genau an die Erfordernisse angepasst. Der Aufbau von Multilagen ist präzise möglich und es können MEA´s (Membran-Electrode Assembly) mit scharfen, klar abgegrenzten Kanten erstellt werden. In diesem Paper werden Ergebnisse der Inkjet- und Tiefdrucktechnologie vorgestellt, sowie deren Charakterisierung. Da bereits kleinste Unregelmäßigkeiten in den Elektroden zu einem Ausfall des Systems führen können, werden die katalytischen Schichten mittels Oberflächenprofilometer (Veeko Dektak 150) auf ihre Homogenität untersucht. Darüber hinaus werden die Leitfähigkeiten (SÜSS Microtec PM5 Probe System) und die Haftung der gedruckten Schichten in Abhängigkeit von der Drucktechnologie betrachtet. / An important point in fuel cell technology is the use of platinum-containing electrodes, which makes fuel cell technology an expensive technology. At present, the catalytic layers are produced on a large scale as continuous electrodes, which results in the individual electrodes being cut out for the stacks, resulting in a lot of unused electrode material, i.e. waste. This can be recycled later, but 100 % recovery of the raw materials used is not possible. The printing technology offers a possibility to avoid this generation of waste. Using the various printing technologies, such as inkjet, gravure, and screen printing, it is possible to produce electrodes with specific geometries, i.e. the electrode layers are precisely adapted to the requirements. The construction of multilayers is precisely possible and MEA's (Membrane Electrode Assembly) with sharp, clearly defined edges can be created. This paper presents the results of inkjet and gravure printing technology and their characterization. Since even the smallest irregularities in the electrodes can lead to system failure, the homogeneity of the catalytic layers is examined using a surface profilometer (Veeko Dektak 150). In addition, the conductivities (SUSS Microtec PM5 Probe System) and the adhesion of the printed layers will be examined as a function of the printing technology.