Das Hauptziel des Technology Collaboration Program Fortschrittliche Brennstoffzellen ist die forcierte Technologieentwicklung von Schlüsselkomponenten und -systemen von Brennstoffzellen und in weiterer Folge die Unterstützung der Marktimplementierung durch die Analyse und Entwicklung der hierfür erforderlichen politischen Rahmenbedingungen und Instrumente bzw. dem Abbau existierender Markteintrittsbarrieren. Auf nationaler bzw. internationaler Ebene werden Analysen, Berichte und Medieninformationen erarbeitet und der IEA, den nationalen und internationalen Entscheidungsträgern, den umsetzungsorientierten Unternehmen und Institutionen bzw. der breiten Öffentlichkeit (inkl. Medien) zur Verfügung gestellt.
Die geplanten Aktivitäten inkludieren:
- Das Durchführen und Monitoring von F&E Aktivitäten (inkl. der Analyse der Kosten für Zellen, Stacks und Systeme)
- System und Marktanalysen (inkl. technologischer, ökonomischer und ökologischer Aspekte)
- Analyse von Markt- bzw. Umsetzungsbarrieren
- Verstärkte Disseminations- und Verbreitungsaktivitäten (inkl. Newsletter, Annual Reports, Workshops, spezifische Reports zu aktuellen Themen, etc.).
Das Programm strukturiert sich in drei technologisch-typenorientierte Annexe, in vier applikations-orientierte Annexe, einen Annex zur Systemanalyse sowie einen Annex zur Modellierung von Brennstoffzellensystemen.
Derzeit nehmen 13 Länder am Technology Collaboration Program Fortschrittliche Brennstoffzellen teil: Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Israel, Italien, Japan, Mexiko, Österreich, Schweden, Schweiz Südkorea, und USA. China wurde die Teilnahme am Technology Collaboration Program zugesagt.
In diesem Technology Collaboration Program werden die verschiedenen Aktivitäten vorab festgelegt und ‚task-shared' abgearbeitet. In Form von periodischen Meetings wird über die Ergebnisse der Forschungsaktivitäten informiert und weitere Forschungsarbeiten festgelegt.
Die Ziele dieser Beteiligung sind wie folgt definiert:
- Integration österreichischer Spitzenforschung in internationale F&E Arbeitsschwerpunkte
- Internationale Arbeitsteilung bei Hochrisikoforschungen und bei kapitalintensiven Demonstrationsprojekten
- Transfer von internationalem Know-how nach (und in) Österreich
- Forcierung und Mobilisierung der österreichischen angewandten und Grundlagen-F&E (durch gewonnenes IEA Know-how)
- Generell die Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit und Internationalisierung der österreichischen Wirtschaft.
Die breite Markteinführung von Brennstoffzellen wird zurzeit noch durch den Einsatz teurer Platinkatalysatoren gebremst. Dies liegt u.a. daran, dass der Fokus der Entwicklung auf sauren Brennstoffzellen liegt, die auf Edelmetallkatalysatoren angewiesen sind. Alkalische Brennstoffzellen hingegen, bei denen edelmetallfreie Katalysatoren möglich sind, sind in den Hintergrund der Forschung gerückt, obwohl sie enormes Potential im Hinblick auf Wirkungsgrad und Kosten versprechen. Im Projekt NEMEZU sollen deswegen neue Katalysatormaterialien für alkalische Brennstoffzellen entwickelt werden. Aufgabe des ZBT ist es, eine Messmethode zu entwickeln, bei der die Brennstoffzellenreaktion während des Betriebs mittels der abgegebenen Wärmestrahlung durch Infrarot (IR)-Thermographie charakterisiert wird und so verschiedene Katalysatormaterialien parallel bewertet werden können. Dazu soll ein Reaktor realisiert werden, der einen optischen Zugang zur Brennstoffzellenreaktion ermöglicht. Darüber hinaus sollen Mikrobrennstoffzellen entwickelt werden, welche in großer Anzahl parallel im Reaktor verbaut werden. Die Mikrobrennstoffzellen unterscheiden sich nur durch den aufgebrachten Katalysator, wodurch ein direkter Vergleich der einzelnen Katalysatormaterialien im Betrieb möglich ist. Auf Grund der parallelen Vermessung können Einsparungen bei den Entwicklungskosten erzielt werden. Zunächst wird ein Prozess zum Aufbau der Mikrobrennstoffzellen entwickelt. Dies beinhaltet die Integration eines Elektrolyten und die Beschichtung mit einer Stromableiterschicht. Parallel dazu wird eine Messkammer zur IR-Thermographie aufgebaut. Ab dem 12. Projektmonat soll mit den ersten Tests zum IR-Screening begonnen werden. Dies wird zunächst mit kommerziell verfügbaren Referenzmaterialien erfolgen. Darauf aufbauend werden neue Materialien für Elektrolyt und Katalysator getestet.
Für eine saubere Energieversorgung gelten Brennstoffzellen als Schlüsseltechnologien. Alkalische Brennstoffzellen haben den großen Vorteil, dass für die Reaktion Nichtedelmetalle wie zum Beispiel Co, Ni oder Mn sowie deren Legierungen als Katalysatoren genutzt werden können. RUB wird in diesem Projekt neuartige Katalysatorsysteme für alkalische Brennstoffzellen auf Basis dieser Metalle in nanopartikulärer Form entwickeln. Die Optimierungsziele sind jedoch nur durch Variation einer Vielzahl nicht linear unabhängiger Parameter zu erzielen, so dass Hochdurchsatzmethoden entwickelt und optimiert werden müssen. Hauptschwerpunkt der Arbeiten an der RUB liegen auf dem Arbeitspaket 1: 'Entwicklung edelmetallfreier nanopartikulärer Katalysatoren'. RUB-WdM wird Katalysator-Nanopartikel-Materialbibliotheken durch kombinatorisches Sputtern in ionische Flüssigkeiten herstellen (AP1.1). Die dabei einzusetzenden ionischen Flüssigkeiten werden in AP1.2 entwickelt und optimiert. Die Charakterisierung der gesputterten Nanopartikelbibliotheken erfolgt mittels EDX, HRTEM, HAADF und STEM-EDX in AP1.5 durch RUB-WdM. Die Methode stellt einen innovativen Forschungsansatz dar, mit dem eine große Anzahl von Nanopartikel-Materialkombinationen auf ihre grundsätzliche Eignung als Katalysator getestet werden kann. Neben der individuellen Untersuchung der katalytischen Aktivität der Nanopartikel hinsichtlich O2-Reduktion und H2-Oxidation mittels RDE und RRDE werden vor allem durch RUB-CES Hochdurchsatzmethoden (SECM; Rastertropfenzelle) eingesetzt, um katalytisch besonders aktive Materialen oder Materialgruppen zu identifizieren (AP1.4). Weiterhin wird die elektrochemische Expertise von RUB-CES zur Detailuntersuchung der als geeignet identifizierten Materialkombinationen mittels RDE (AP4.2) und MEAs mittels SECM (AP3.3) genutzt. Letzteres kann in-operando durchgeführt werden und stellt damit einen wichtigen Aspekt in der Validierung der IT-Thermographie dar.
Die breite Markteinführung von Brennstoffzellen wird durch den Einsatz teurer Platinkatalysatoren gebremst. Dies liegt u. a. daran, dass der Fokus der Entwicklung auf sauren Brennstoffzellen liegt, die auf Edelmetallkatalysatoren angewiesen sind. Im Rahmen des Gesamtvorhabens NEMEZU sollen innovative Katalysatorsysteme für alkalische Brennstoffzellen auf Basis dieser Metalle bzw. Legierung in nanopartikulärer Form entwickelt werden. Ein völlig neuer Ansatz zur Synthese von Legierungsnanopartikeln ist die Laserablation in Flüssigkeiten. Diese Methode ermöglicht Zugang zu Partikeln mit vollständig 'nackten' Oberflächen und einer im Idealfall homogenen Kleinststruktur, die durch alternative Verfahren nicht erhältlich ist. Diese Syntheseroute soll verwendet werden, um edelmetallfreie Legierungsnanopartikel mit hoher Wirtschaftlichkeit zu entwickeln. Dabei soll der Laserabtrag an Metallpulver-Proben realisiert werden, um diese für die Weiterverarbeitung (Membrananbindung / Elektrodeposition) im Screening zur Verfügung zu stellen. Prozesstechnische Hürden sollen im Hauptteil des beantragten Projektes überwunden und physikalisch-chemische Fragestellungen beantwortet werden, um das Scale-Up der Laserablation in den Multigramm-Maßstab zu ermöglichen. Der Arbeitsplan umfasst hierbei die Adaption einer Durchflusskammer an das vorhandene Hochleistungslasersystem und Untersuchungen in einem kontinuierlichen Prozess. Zu ergründen ist hierbei, wie sich eine systematische Variation von physikalischen und chemischen Einflussgrößen auf Stabilität, Zusammensetzung und Partikelgrößenverteilung auswirkt und welche Produktivitäten im Rahmen dieses Prozesses erreicht werden können. Weiterhin sollen die Legierungsnanopartikel auf Trägermaterialien dielektrophoretisch abgeschieden um die neu entwickelten Elektrodenkatalysatoren zu MEAs (Membran.Elektroden-Einheiten) zu assemblieren.