Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISEIm Projekt »CORAL-HD« (Catalyst Optimization Research for stable Activity over Lifetime in Heavy Duty fuel cells) wurden leistungs- und lebensdaueroptimierte Katalysatormaterialien für den Einsatz im brennstoffzellenbetriebenen Schwerlastverkehr entwickelt. Gemeinsam mit Projektpartnern aus Wirtschaft und Wissenschaft erforschte das Fraunhofer ISE die Elektroden der Brennstoffzelle. Fokus war dabei die Charakterisierung der Materialien mittels innovativer Methoden. Das Projekt wurde im Rahmen der Wasserstoff-Leitprojekte vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt gefördert.
Leistungs- und lebensdaueroptimierte Brennstoffzellen-Katalysatoren für Schwerlastfahrzeuge
CORAL-HD
Brennstoffzellen für Nutzfahrzeuge müssen eine hohe Lebensdauer aufweisen. Dafür entwickelte das Projekt »CORAL-HD« Materialien für besonders langlebige (> 30.000 Stunden) Brennstoffzellen-Elektroden.
Ausgangslage
Schwere Nutzfahrzeuge verursachen trotz ihrer geringen Anzahl (230 Tausend Fahrzeuge mit über 26 Tonnen) die Hälfte der CO2-Emissionen im deutschen Straßenverkehr. So könnten mit der Elektrifizierung weniger Fahrzeuge erhebliche Mengen an CO2 eingespart werden. Wirtschaftlich attraktiv ist die Elektrifizierung mittels Wasserstoff-Brennstoffzellen. Durch den Einsatz in Schwerlastanwendungen wird die Anforderung an die Lebensdauer der Wasserstoff-Niedertemperatur-Brennstoffzelle von 5.000 Stunden im PKW auf 30.000 Stunden versechsfacht und stellt somit eine besondere Herausforderung dar.
Ziel
Eine typische Brennstoffzellen-Elektrode besteht aus einem platinbesetzten Kohlenstoffträger und Ionomer. Degradationseffekte können sowohl durch Kohlenstoffkorrosion als auch durch Platinalterung auftreten und werden durch korrosionsstabilen Kohlenstoff und monodisperse, also gleich große, Partikelverteilungen reduziert.
Ziel des Projekts war es, Katalysatormaterialien mit maßgeschneiderten Poren zu versehen. Um die Leistung und Lebensdauer von Brennstoffzellen in Nutzfahrzeugen signifikant zu erhöhen, wurden im Projekt »CORAL-HD« langzeitstabile Elektroden ohne Leistungseinbußen entwickelt.
Im Projekt CORAL-HD wurden leistungs- und lebensdaueroptimierte Katalysatormaterialien für den Einsatz im Schwerlastverkehr entwickelt.
Lösung
Im Projekt wurden zunächst leistungsoptimierte poröse Kohlenstoffträger mit Porendurchmesser zwischen 2 und 50 Nanometer entwickelt, die in einem zweiten Schritt durch eine Temperaturbehandlung oder Beschichtung (Undercoatings) langzeitstabilisiert wurden. Mittels Partikel-Atomlagendeposition konnte eine monodisperse Platinabscheidung erzielt werden. Der Einsatz von Beschichtungen über den Platinpartikeln (Overcoatings) sollte zusätzlich zur Stabilisierung der Katalysatorpartikel beitragen.
Das Fraunhofer ISE setzte durch die Nutzung von Kohlenstoffmonoxid innovative elektrochemische Charakterisierungsmethoden auf Brennstoffzellenebene ein, um ein umfangreiches Bild des Zusammenspiels der entwickelten Materialien und des Ionomers zu erreichen und Optimierungspotenziale zu identifizieren.
Eine Besonderheit des Projekts war die lokale Nähe und die enge Zusammenarbeit des Konsortiums aus Freiburger Forschungseinrichtungen. Diese bildeten, in Zusammenarbeit mit industriellen Partnern, mit ihren Kompetenzen von der Materialsynthese über die Elektrodenherstellung bis zur Brennstoffzellencharakterisierung die gesamte Entwicklungskette ab. Dadurch war eine Optimierung der Materialentwicklung in kürzester Zeit möglich.
H2-Science-Hub Freiburg: Übersicht über die beteiligten Freiburger Forschungseinrichtungen.
Ergebnisse
Im Projekt wurden mesoporöse Kohlenstoffe für PEM-Brennstoffzellen mit Fokus auf Leistungsoptimierung und Lebensdauer entwickelt. Die elektrochemische Charakterisierung am Fraunhofer ISE unterstützte die Materialentwicklung und förderte das Verständnis der Ionomerverteilung in diesen neuartigen Kohlenstoffen. Das Katalysatormaterial zeichnet sich durch herausragende Leistungsdichten aus, die die Referenzkatalysatoren auf Basis kommerzieller Kohlenstoffe bei 0,9 V, 100 % relativer Feuchte und 150 kPa um 27 % übertreffen. Eine Matrix von Kohlenstoffpartikel- und Porengrößen wurde charakterisiert, um den Einfluss auf die Leistung der Brennstoffzelle zu untersuchen.
Die Ergebnisse wurden in Konferenzbeiträgen und Publikationen präsentiert. Im EXIST-Forschungstransfer-Vorhaben »Nero Materials« an der Universität Freiburg werden die mesoporösen Kohlenstoffe nun vom Labormaßstab in die Skalierung überführt – und schaffen damit die Grundlage für eine zukünftige industrielle Nutzung.
Förderung
Das Projekt »CORAL-HD« wurde vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt gefördert (03SF0614B).
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