Zur Lebensdauerabschätzung von Brennstoffzellen mit den Methoden der Betriebsfestigkeit

Die Lebensdauer von Brennstoffzellen ist abhängig von den Betriebszuständen (Strom und Spannung), die während der Laufzeit auftreten. Durch eine Bewertung der Betriebszustände kann während der Entwicklung neuer Brennstoffzellen eine Prognose über die zu erwartende Lebensdauer getroffen werden. Während des Betriebs von Brennstoffzellen kann eine Abschätzung der Restlebensdauer erfolgen oder die Auswirkung einer Änderung der Betriebsführung auf die Lebensdauer bewertet werden. Für die Abschätzung der Lebensdauer ist ein Modell erforderlich, dass die wesentlichen Einflussgrößen berücksichtigt. Im Folgenden werden die Methoden der Betriebsfestigkeit zur Lebensdauerprognose von schwingend beanspruchten Bauteilen auf das System Brennstoffzelle übertragen. Maßgeblich sind hier die Höhe und die Häufigkeit der Beanspruchung. Die Betriebsfestigkeitsrechnung dient zur Abschätzung der Lebensdauer bei zufallsartiger Last-Zeit- Funktion auf der Basis von Bauteileigenschaften bei Beanspruchung mit konstanter Lastamplitude. Dazu müssen der zufallsartigen Beanspruchungs-Zeit-Funktion durch Zählverfahren (Klassierung) die Beanspruchungen entnommen werden. Anschließend wird jeder Beanspruchung ein Schädigungsbeitrag zugewiesen. Brennstoffzellen wie z.B. eine Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) werden im Betrieb häufig mit wechselnden elektrischen Lasten beansprucht. Änderungen der abgegebenen elektrischen Leistung führen zu wechselnden Stromdichten in A/cm2 bzw. Zellspannungen in V. Mit der Betriebsdauer sinkt die Leistung der Brennstoffzelle durch Degradationseffekte, was sich in einer Abnahme der Zellspannung bei konstanter Stromdichte widerspiegelt. Neben der zeitabhängigen Degradation können auch Einzelereignisse, z.B. Start/Stopp-Vorgänge oder Ereignisse, die zu einer Unterversorgung an der Kathoden- und Anodenseite führen, einen Schädigungsbeitrag leisten. Mit dem hier vorgestellten Konzept kann die Lebensdauer von PEMFCs abgeschätzt werden. Für die Abschätzung der Degradationskoeffizienten werden Literaturwerte und Erfahrungen von Experten herangezogen.