Entwicklung eines Wasserstoff-Brennstoffzellen-Stacks für die Anwendung im Hauptantrieb für Fluganwendungen

Im Projekt »H2Sky« entsteht ein Brennstoffzellen-Stack, der künftig den Hauptantrieb von Passagierflugzeugen mit Wasserstoff ermöglichen soll. Das Fraunhofer ISE entwickelt dafür besonders leistungsfähige Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) und überführt sie vom Labormaßstab ins Vollformat. Im Fokus stehen Materialien, die bei Temperaturen über 90 °C und geringer Luftfeuchte effizient und dauerhaft arbeiten. So schafft das Projekt eine zentrale Grundlage für klimafreundliche Luftfahrtantriebe und eine spätere Serienfertigung.

Ausgangslage

Der Luftverkehr muss seinen Beitrag zur Reduktion globaler Treibhausgasemissionen deutlich steigern. Batteriebetriebene Konzepte stoßen bei Reichweite und Gewicht an Grenzen, während heutige PEM-Brennstoffzellen vor allem für automotive Bedingungen ausgelegt sind: Moderat temperiert, befeuchtet und mit geringeren Lebensdaueranforderungen. Unter luftfahrttypischen Bedingungen bei Betriebstemperaturen ≥ 95 °C, niedriger Befeuchtung und hohen mechanischen Belastungen unterliegen etablierte Membranen-Elektrodeneinheiten deutlichen Leistungsverlusten und erreichen dadurch weder die geforderte gravimetrische Leistungsdichte noch die Lebensdauer von über 25 000 Stunden.

Ziel

»H2Sky« zielt auf einen Brennstoffzellen-Stack für den Hauptantrieb von Passagierflugzeugen mit rund 4 kW/kg Leistungsgewicht, hoher Effizienz und mehr als 25 000 Betriebsstunden bei Zelltemperaturen über 95 °C. Das Fraunhofer ISE optimiert dabei die leistungsbestimmende Komponente Membran-Elektrodeneinheit: Katalysator- und Ionomersysteme werden für hohe Temperaturen und geringe Befeuchtung optimiert und vom Labormaßstab auf Vollformat‑katalysatorbeschichtete Membranen (CCMs) skaliert, sowie das Potential von in Through-Plane Richtung gradierten Katalysatorschichten untersucht. In diesem Rahmen entstehen Prüfprotokolle, mit denen Performance und Degradation der entwickelten Zellen unter realitätsnahen Betriebsbedingungen bewertet werden.

Lösungsansatz

Im Projekt »H2Sky« entwickelte das Fraunhofer ISE Membran‑Elektroden‑Einheiten speziell ausgelegt für den Betrieb unter Luftfahrtbedingungen und überführte sie vom Labor- in den Vollformat‑Maßstab. Dazu wurden Katalysator‑ und Ionomersysteme systematisch variiert, Lösungsmittel, Trocknung und Decal‑Transfer optimiert sowie Through‑Plane‑Gradienten in der Katalysatorschicht untersucht, und anhand von Leistungskennlinien validiert, die auf Stack-Einlass, -Mitte und -Auslassbedingungen referenzieren. Parallel entstanden skalierbare Produktionskonzepte zur Herstellung dieser optimierten MEAs im Vollformat. Neue Einzelzellen‑ und Stack‑Teststände, Messaufbauten zur parallelen Charakterisierung von bis zu vier Zellen wurden entwickelt und in Betrieb genommen, sowie erweiterte In-situ Charakterisierungsmethoden implementiert.

Ergebnisse

Das Fraunhofer ISE hat Katalysatorschichten und MEAs entwickelt, die unter luftfahrttypischen Bedingungen höhere Leistungen ermöglichen. Umfangreiche Studien zum optimalen Ionomergehalt für verschiedene Katalysatorsysteme, zu Lösungsmitteln, Trocknungsparametern und zum Decal-Transfer lieferten eine detaillierte Datengrundlage zur Optimierung der Katalysatorschicht unter Bedingungen am Stack-Einlass bis zum Stack-Auslass. Eine so optimierte Kathodenkatalysatorschicht mit 0,35 mg Pt/cm² erreicht bei 95 °C und reduzierter Befeuchtung Spannungen auf dem Niveau einer kommerziellen Referenz mit deutlich höherer Platin‑Beladung und bietet damit weiteres Potenzial zur Performancesteigerung. Zudem wurden neue Hochtemperatur‑Einzelzellen‑Teststände bis 110 °C, ein 20‑kW‑Stackprüfstand sowie Parallel‑Aufbauten für vier Zellen entwickelt und in Betrieb genommen.

Das Projekt »H2Sky«  wurde vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur gefördert.