Schwierige Entwicklungsarbeit

Brennstoffzellen wandeln brennbare Stoffe wie Wasserstoff und Erdgas in Strom und Wärme um. In der Industrie und im privaten Sektor werden Brennstoffzellen bereits heute auf ganz unterschiedliche Art und Weise genutzt – so zum Beispiel als Batterieersatz in elektronischen Geräten oder in Automobilen mit Wasserstoffantrieb. Ein Hauptgrund, der für den Einsatz dieses Energiewandelverfahrens spricht, ist, dass die Zellen leiser als Motoren und leichter als Batterien sind. Um von diesen Vorteilen auch in bisher nicht erschlossenen Anwendungsbereichen profitieren zu können, muss jedoch weiterhin Entwicklungsarbeit geleistet werden. Benötigt werden präzise Messungen über den Vorgang in den Zellen und eine sorgfältige Interpretation der Messergebnisse. Im Fall von Brennstoffzellen ist dies jedoch besonders schwierig.

Kleine Ungewissheit mit grossen Auswirkungen

Eine einfache Standardmethode zur Berechnung der Leistung von Brennstoffzellen ist, die Spannung und den Energiefluss einer Zelle zu messen, die sich im Betrieb befindet. Mit dieser Methode kann jedoch nicht herausgefunden werden, welche Performance die einzelnen Komponenten der Zelle liefern. Messmethoden, die diesen Umstand auch berücksichtigen, gibt es zahlreiche. Durchgesetzt hat sich vor allem das diesbezüglich sehr potente Verfahren der Impedanzspektroskopie. Dabei kann das Leistungsvermögen von Zellen mittels einer frequenzabhängigen Spannungs-Stromanalyse ermittelt werden. Problematisch an dieser Methode ist jedoch, dass die Interpretation der gemessenen Spektren Schwierigkeiten bereitet. Schon kleinste Fehler beim Lesen der ermittelten Werte können zu ganz anderen oder gar komplementären Schlussfolgerungen führen. Wenn die Leistung von Brennstoffzellen also nachhaltig verbessert werden soll, so muss zunächst ein Umgang mit diesem Problem gefunden werden.

Korrekte Interpretation mittels komplexer Modelle

Um Fehler bei der Interpretation der gemessenen Spektren zu vermeiden, wurde im Rahmen dieser Masterarbeit ein Modell erstellt, mit dem die Komplexität des gemessenen Vorgangs besser abgebildet werden kann. Dank diesem Modell ist es nun möglich, das Leistungsvermögen von Brennstoffzellen genauer und treffsicherer zu ermitteln. Um das Verfahren der Impedanzspektroskopie zu ergänzen, hat man dazu mehrere Berechnungsmodelle miteinander in Verbindung gebracht: Integriert wurden sowohl empirische elektrische Ersatzschaltbilder als auch detaillierte physikalisch-chemische Modelle. Zusätzlich wurde eine Anwendung entwickelt, die es erlaubt, verschiedene gemessene EI-Spektren einzulesen und miteinander zu vergleichen. Dank der geleisteten Berechnungs- und Programmierarbeit ist es nun möglich, den Anwendungsbereich von Brennstoffzellen durch gezielte Forschung weiter auszuweiten.