In diesem Projekt werden kostengünstige Pt-arme Legierungsnanopartikel-Kohlenstoff (Pt M NP/C) Katalysatoren mit signifikant verbesserten katalytischen Eigenschaften und Lebensdauern für die beiden Halbzellenreaktionen der Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC) entwickelt. Die PEMFC gehört zu den vielversprechendsten Technologien zur umweltschonenden Energieumwandlung. Daher haben die PEMFCs das große Potential, die Zielvorgaben des Energiekonzepts 2050 der Bundesregierung vollständig zu erfüllen. Die heutigen, teuren Edelmetall-Elektrodenmaterialien zeigen jedoch unzureichende Leistungskennzahlen in Bezug auf die Effizienz und auf die Langzeitstabilität auf. Der Fokus in diesem Projekt ist die Verbesserung der Wechselwirkung zwischen den katalytisch-aktiven Pt-M Nanopartikel und dem Substrat. Durch die Funktionalisierung des Trägermaterials wird seine Oxidationsresistenz und die Haftung der NP extrem verbessert. Die Pt-M NP mit kontrollierter Partikelgröße, Zusammensetzung und Kristallinität werden durch die nasschemische Imprägnierungsmethode hergestellt, weil diese Art der Synthese für die Industrie eine hohe Relevanz hat. Die Herstellung von Pt M NP erfolgt mittels moderner nasschemischer Imprägnierungsmethode, da diese Art der Synthese großtechnisch für die Industrie kostengünstig durchführbar ist und somit von großer wirtschaftlicher Relevanz ist. Weiterhin werden Strategien zur Verbesserung der Katalysatorlebensdauer durch die Modifizierung des Kohlenstoff-Trägermaterials entwickelt um deren Oxidationsresistenz zu erhöhen und somit insgesamt den Partikelabtrag zu minimieren. Die hier entwickelten Katalysatoren werden nicht nur für die ORR und HOR mittels rotierender Ring-Scheibenelektroden (RRDE)-Technik im Labormaßstab optimiert, sondern auch in einer realen Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle untersucht. Es wird in diesem Projekt angestrebt, die in der RRDE erzielten Aktivitäts- und Stabilitätsverbesserungen in die MEA zu transferieren.
Um konventionelle Verbrennungsmotoren in Funktionalität und Komfort zu substituieren, setzen Automobilbauer, Gesetzgeber und erste Anwender auf wasserstoffbetriebene Fahrzeuge auf Basis von Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (NT-PEM-BZ). Der frühzeitig erbrachte Funktionsnachweis wurde spätestens mit den ersten Serienfahrzeugen aufgezeigt. Als Wegbereiter für die breite Marktaktivierung in Deutschland wurde die H2Mobility gegründet, um bis 2023 eine flächendeckende Wasserstoffinfrastruktur zu schaffen. Damit bleiben als größte Hindernisse fehlende Akzeptanz und Wissen über die neue Technologie sowie die aktuell hohen Produktions- und Materialkosten für Brennstoffzellenkomponenten. Das Projekt HZwo:STACK ist ein Vorhaben der industriellen Forschung von mittelständigen Unternehmen und Forschungseinrichtungen zur Entwicklung eines großserientauglichen Baukasten- und Baureihenkonzepts für PEM Brennstoffzellenmodule. Speziell wird hierfür eine Synthese-Auslegungssoftware entwickelt, welche eine schnelle, effiziente und kostengünstige Dimensionierung eines Stackmoduls hinsichtlich unterschiedlicher Anforderungsprofile ermöglicht. Zudem werden neuartige Ansätze zur kostengünstigen und marktorientierten Entwicklung und Großserienproduktion von Stackkomponenten, wie dem Endplatten-Verspannsystem, der Gehäuse-Hybrideinheit und der Luftverdichtereinheit, erarbeitet. Es wird weiterhin eine BZ-Einzelzelle konzipiert, erprobt und auf Basis der Ergebnisse eine großserientaugliche Stack-Montageanlage konzipiert und realisiert. Abschließend werden die prototypischen Stackmodule getestet. Schwerpunkte: - Systembaukasten- und Baureihenentwicklung eines PEM-Brennstoffzellenmoduls mit Überführung in eine Synthese-Auslegungssoftware - höchstfestes Endplatten-Verspannsystem - funktionsintegriertes Gehäuse-Hybridbauteil - skalierbare Luftverdichtereinheit für BZ-Systeme - BZ-Einzelzelle und großserientaugliche Montage-, Verspann- und Einlaufprozesse.
Hochtemperatur-Polymerbrennstoffzellen (HT-PEFCs), deren Arbeitstemperaturbereich zwischen 120 °C und 200 °C liegt, bieten langfristig höhere Erfolgschancen und größere Einsatzbereiche gegenüber den bisher etablierten Niedertemperatur-Polymerbrennstoffzellen (LT-PEFC). Einige der wichtigsten Aspekte sind die mögliche Co-Erzeugung und -Nutzung von Wärme, geringere Reinheitsanforderung an die Betriebsmittel und eine reduzierte Systemkomplexität aufgrund des obsoleten Wassermanagements. Dies führt letztendlich zu geringeren Systemkosten, sowohl bei der Anschaffung als auch während der Nutzung. Dass es derzeit noch keine HT-PEFC-Systeme gibt, hat unterschiedliche technologische Ursachen. Das größte Problem besteht in der tatsächlich erreichbaren Leistungsdichte, welche weit unter den zu Erwarteten liegt. Hierbei spielt die Sauerstoffreduktionskinetik auf der Luftseite eine zentrale Rolle, welche bei dem derzeit eingesetzten Phosphorsäure-Polybenzimidazolimid-basierten (PA-PBI) Membransystemen, insbesondere bei trockenen Bedingungen, stark reduziert ist. Dies führt dazu, dass zur Kompensation ein viel höherer Katalysatoranteil verwendet werden muss, welcher die Systemkosten stark erhöht. Zudem verursachen wechselnde Betriebsbedingungen aufgrund von Schwellen und Kontraktion ein zunehmendes Auswaschen des Elektrolyten PA aus der Membran, wodurch Langzeitdegradation gefördert wird. Ziel dieses Projekts ist der Ersatz des Elektrolyt Phosphorsäure in der HT-PEFC durch protonenleitende ionische Flüssigkeiten. Ionische Flüssigkeiten auf der Basis von Sulfonsäuren reduzieren im Vergleich zu Phosphorsäure die Sauerstoffreduktionskinetik deutlich weniger. Hierzu sollen von Stammverbindungen Derivate hergestellt werden und diese Bezüglich Leitfähigkeit, Elektrodenkinetik und Absorption in PBI-Membranmaterialien optimiert werden. Die vielversprechendsten Kandidaten sollen in Brennstoffzellen technisch relevanter Größe getestet werden.
Ziel des Gemeinschaftsprojektes BePPel ist die Definition und Standardisierung der Messung physikalischer Parameter und hier insbesondere elektrischer Leitfähigkeiten sowie Kontaktwiderstände (in-plane und through-plane) an graphitischen und metallischen Bipolarplatten in Niedertemperatur- (NT) und Hochtemperatur-Anwendungen (HT) in Brennstoffzellensystemen sowie in Elektrolysesystemen. Ziel des Teilvorhabens von Fraunhofer ist die Charakterisierung des Korrosionsverhaltens in Ex-situ-Tests und die Bestimmung von Kontaktwiderständen, der Materialbeständigkeit und der Stromflussverteilung. Das Teilvorhaben des Fraunhofer ISE gliedert sich in folgende Arbeitspakete: a) Elektrochemische Messungen b) Bestimmung der Kontaktübergangswiderstände c) Auslagerungsversuche Das Teilvorhaben des Fraunhofer ICT gliedert sich in folgende Arbeitspakete: d) Elektrochemische Messungen e) Bestimmung von in-plane und through-plane Leitfähigkeiten f) Untersuchung des Einflusses von polymerreichen Schichten bei spritzgegossenen Bipolarplatten g) Untersuchung der Relevanz von Leitfähigkeitsbestimmung entlang der Prozesskette zur Herstellung h) Untersuchungen zur Stromverteilung i) Erstellung eines Stromflussmodells und Ableitung geeigneter Kenngrößen für QS Messungen j) Validierung in Einzelzelltests.