Überwachung des Wasserhaushalts in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen mittels Oberflächen-Ultraschall

Optimiertes Wassermanagement – sowohl in Design als auch im Betrieb – ist einer der zentralen Bausteine für die Erhöhung von Lebensdauer und Effizienz von Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (NT-PEMFCs). Gegenwärtige Verfahren zur Untersuchung des Wasserhaushalts sind teuer und aufwendig, nicht an Standardzellen einsetzbar und/oder haben Schwierigkeiten mit der Echtzeit-Überwachung des Wasserhaushalts. Hier wird ein neues Verfahren untersucht, mit dem die Wasserverteilung im Betrieb von NT-PEMFCs mit hoher zeitlicher und örtlicher Auflösung detektiert werden kann. Das Verfahren beruht auf der messbaren Änderung der Ausbreitungseigenschaften von Oberflächenwellen in der Brennstoffzelle, wenn sich Tropfen im Kanal befinden. Damit sind Rückschlüsse auf die Position und Menge des Wassers im Kanal möglich. Mittels eingebrachter Interdigital-Wandler über mehrere Übertragungsstrecken kann so auf eine Wasserverteilung innerhalb der Zelle geschlossen werden.  Das Verfahren lässt sich kostengünstig bei NT-PEMFCs mit metallischen Bipolarplatten einsetzen. Im Projekt soll ein Funktionsmuster zur Messung des Wasserbelages an einer Brennstoffzelle bis TRL 4 entwickelt werden. Dies erfordert eine Entwicklung hochintegrierter Ultraschallwandler im komplexen Brennstoffzellsystem sowie die Validierung und Kalibrierung. Die praktische Relevanz wird durch die Anwendung des Verfahrens in einer Brennstoffzelle im Betrieb demonstriert. Das Projekt ist für KMU besonders vielversprechend, da Fortschritte in Bereichen von der Sensortechnik über die Bipolarplattenoptimierung bis hin zum Brennstoffzelldesign zu erwarten sind.