Qualitätskontrolle von neuartigen kohlenwasserstoffbasierten Membran-Elektroden-Einheiten für Brennstoffzellen

Die Brennstoffzellentechnologie bietet ein bedeutendes Potenzial für die Dekarbonisierung des Schwerlastverkehrs. Eine notwendige Voraussetzung ist, dass Membran-Elektroden-Einheiten (MEA, Membrane Electrode Assembly) umweltfreundlich und kostengünstig im Industriemaßstab hergestellt werden können. Im Projekt »DirectStack2Scale« werden Technologien zur Qualitätskontrolle von Schwerlast-MEAs auf Basis fluorfreier Kohlenwasserstoff-Materialien als PFAS-Alternative entwickelt. Schwerpunkt der Forschungsarbeiten am Fraunhofer ISE ist die Entwicklung von Modellen, welche die Alterung der neuartigen Materialien unter realistischen Betriebsbedingungen beschreiben, sowie die experimentelle Charakterisierung von Degradationseffekten zur Validierung der Simulationen. 

Ausgangslage

Brennstoffzellenantriebe gelten im Bereich schwerer Nutzfahrzeuge als vielversprechender emissionsfreier Antrieb, da sie hohe Zuladungen und Reichweiten mit kurzen Tankzeiten und niedrigen Gesamtbetriebskosten verbinden. Um dieses Potenzial zugänglich zu machen, müssen MEAs für den Schwerlastbetrieb umweltfreundlich, mit geringen Toleranzen in der Schwankung von Produkteigenschaften und im Industriemaßstab hergestellt werden können.

Doch die MEA, das leistungs- und kostenbestimmende »Herzstück« einer Brennstoffzelle, benötigt als Membran und als Ionomer innerhalb der Elektroden Polymermaterial, welches typischerweise PFAS-Verbindungen enthält. Kohlenwasserstoffbasierte Materialien erlangen zunehmende Bedeutung als fluorfreie und umweltfreundliche Alternative für viele industrielle Prozesse, welche bislang auf PFAS-Materialien basieren.

Ziel

Das Projekt »DirectStack2Scale« soll zu umweltfreundlichen, effizienten MEAs für den Schwerlastbetrieb beitragen, indem Fehler bei der Herstellung von MEAs auf fluorfreier Kohlenwasserstoff-Basis untersucht, bewertet und Maßnahmen zur Qualitätskontrolle in die Prozesskette integriert werden.

Anknüpfend an das Vorgängerprojekt »DirectStack«, in welchem die Methode der MEA-Direktbeschichtung unter Einsatz von konventionellen PFAS-Materialien erstmals mit Industriepartnern validiert wurde, liegt der Fokus in »DirectStack2Scale« auf der Demonstration einer Fertigung von direktbeschichteten kohlenwasserstoffbasierten MEAs im Technikumsmaßstab unter Einsatz der erarbeiteten Qualitätskontrolle-Kriterien.

Lösung

Neben den Konsortialpartnern ionysis GmbH (Herstellung von kohlenwasserstoffbasierten MEAs), JWS GmbH (Anlagenentwicklung für Rolle-zu-Rolle-Prozesse) und HAW Kempten (In-situ- und Ex-situ-Charakterisierung von Brennstoffzellen) bringt sich das Fraunhofer ISE mit seiner Expertise im Bereich Modellierung von Brennstoffzellenleistung und -alterung in dieses Projekt ein. Für einen zuverlässigen und nachhaltigen Betrieb der MEA müssen Degradationseffekte identifiziert und deren Einfluss auf die Leistung der Brennstoffzelle quantifiziert werden.

Experimentelle Alterungstests werden aufgrund des hohen Material- und Kostenaufwands in der Regel bevorzugt in beschleunigter Form durchgeführt. Geeignete physikalische Modelle können hier die Brücke zwischen gemessenen Indikatoren und realer Degradation der Brennstoffzelle schlagen, um die Lebensdauer der Materialien möglichst präzise vorherzusagen. Die Entwicklung der Modelle für kohlenwasserstoffbasierte Materialien am Fraunhofer ISE wird durch experimentelle Charakterisierung der Degradation unterstützt.

Das Teilvorhaben des Fraunhofer ISE im Projekt »DirectStack2Scale« wird im Rahmen der Richtlinie „Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff und Brennstoffzellentechnologie“ mit insgesamt 357.323,00 Euro durch das Bundesministerium für Verkehr (BMV) gefördert. Die Förderrichtlinie wird von der NOW GmbH koordiniert und durch den Projektträger Jülich (PtJ) umgesetzt.

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