Zur Lebensdauerabschätzung von Brennstoffzellen mit den Methoden der Betriebsfestigkeit

Bonitz, Saskia

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.

The lifetime of fuel cells depends on the operating conditions (current and voltage) which occur during the period of use. Through an assessment of operating conditions a forecast of the expected lifetime can already be made during the development phase of new fuel cells. During operation of fuel cells an estimate of the residual lifetime can be carried out or the effect of certain in the operational management (optimization) can be evaluated in the lifetime. A model is used to estimate the lifetime considering the main influencing factors. In this work the methods of fatigue strength for lifetime prediction of cyclic loaded components are being transferred on the system fuel cell. Relevant are the height and the numbers of cycle of the loads. The calculation of fatigue strength is used to estimate the lifetime with randomized loadtime- function based on components behaviour at constant loads. For this purpose, relevant stress information is extracted from stress-time function by counting methods. Subsequently, each stress is assigned to a damage content. Proton Exchange Membrane Fuel Cell ( PEMFC ) are often stressed in operation with dynamic electrical loads. Changes in the electrical power output result in alternating current densities in A/cm2 or cell voltages in V. During operation time the power of the fuel cell become less by degradation effects, which is reflected in a decrease in the cell voltage at a costant current density. In addition to time-dependent degradation also individual events, such as start/stop operations or events that lead to an undersupply at the cathode and anode side, make a damage content. With the concept presented here the lifetime of PEMFCs can be estimated. For determination of the degradationcoefficients literature values and experience of experts are being used.

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Bonitz, Saskia: Zur Lebensdauerabschätzung von Brennstoffzellen mit den Methoden der Betriebsfestigkeit. 2016.

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