Stickstoff ist an sich kein Schadgas für Brennstoffzellen, es sei denn, er verdrängt Wasserstoff auf der Anodenseite. Wird die Anode nicht mehr ausreichend mit Wasserstoff versorgt, sinkt lokal die Stromdichte ab. Da in einem Brennstoffzellenstack der Strom in jeder Zelle gleichermaßen produziert werden muss, kann es dann lokal zur Elektrolyse und damit zur Elektrodenkorrosion kommen, die langfristig zur Zerstörung des Systems führt. In einem Projekt der industriellen Gemeinschaftsforschung entwickelt das ZBT gemeinsam mit der HHUD einen Stickstoffdetektor zur Messung des Stickstoffgehalts im Anodenabgas von PEM-Brennstoffzellen. Bei Ansteigen der Stickstoffkonzentration über einen definierten Grenzwert können somit dann von der Systemregelung Gegenmaßnahmen (z.B. Spülen / purging) ergriffen werden, bevor es zur Zellkorrosion kommt.
Der Stickstoff wird im Detektor mittels Bogenentladung elektronisch angeregt. Nach der Anregung emittiert das Gas im nahen UV-Bereich. Eine einfache Relation zwischen Lichtemission und Stickstoffmenge ermöglicht eine eindeutige Konzentrationsbestimmung. Der in diesem Projekt entwickelte Gasdetektor hat dabei die folgenden Merkmale:
- Großer dynamischer Messbereich (100% bis wenige ‰) bei Messzeiten typischerweise unter einer Sekunde
- Detektionsgrenze: 10 ppm bei einer Messzeit von 5 s
- Stickstoff wird querempfindlichkeitsfrei gemessen
- Abmessungen (W/D/H): 10x10x50 mm
- Betriebsspannung: 9 V
Ziel für die Brennstoffzellenentwicklung ist:
- Erhöhung der Lebensdauer von Brennstoffzellen
- Identifizierung früher Stadien der Membrandegradation
- Erhöhung des Wirkungsgrades durch Verringerung des Wasserstoff-Verbrauchs
Weiter kann der Gasdetektor in anderen Technikbereichen (z.B. Brennwertregulierung von Biogasen, Nitrogenierung von Lebensmitteln) eingesetzt werden.
Die Arbeiten werden im Projekt "Entwicklung eines Stickstoff-Detektors zur Überwachung des Anodenabgases von PEM-Brennstoffzellen" durchgeführt. Das Vorhaben 16633 (01.09.2010 - 29.02.2012) wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Weitere Informationen zum Themenbereich:
Download: Vortrag zum Projekt im Rahmen der AiF-BZ-Allianz Mai 2011
Flyer zum Stickstoff-Detektor (April 2011)
Abteilung Elektrochemie und Schichttechnik
Partner: Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHUD) / Institut für Physikalische Chemie
