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Remanufacturing von PEM-Brennstoffzellenstacks für eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft

Dem Projektvorhaben liegt folgende Problemstellung zu Grunde: Brennstoffzellensysteme werden erst wirtschaftlich und ökologisch nachhaltig, wenn eine Kreislaufwirtschaft um das Produkt aufgebaut wird. Dies liegt zum einen darin begründet, dass (Primär-)Platin, das Teil der MEA ist, einen erheblichen Anteil am CO2-Fußabdruck und den Kosten eines Brennstoffzellenstacks hat und zum anderen, dass Brennstoffzellensysteme eine hohe Wertschöpfung haben, welche am Ende des ersten Produktlebenszyklus so weit wie möglich erhalten bleiben sollte. Da verschiedene Komponenten der Brennstoffzelle, insbesondere die MEA, nach einer gewissen Betriebszeit chemische Degradationserscheinungen aufweisen, ist eine unmittelbare Weiterverwendung ausgeschlossen. Sobald ein Brennstoffzellenstack an sein Lebensende gelangt oder aufgrund eines Defekts frühzeitig ausfällt, bedarf es einer Zustandsbeurteilung des Stacks. Daraus muss abgeleitet werden, ob eine Reparatur des Stacks in Form eines Austauschs degradierter Zellen möglich ist. Falls dies nicht mehr möglich ist, bedarf es der Demontage des Brennstoffzellenstacks sowie einer entsprechenden Befundung und ggf. Wiederaufbereitung der Einzelkomponenten, um der Anforderung eines möglichst hohen Wertschöpfungserhalts gerecht zu werden. Komponenten, die aufgrund irreversibler Degradationserscheinungen nicht mehr aufbereitet werden können, müssen im Sinne der Nachhaltigkeit möglichst sortenrein einem Recycling zugeführt werden. Unter Berücksichtigung der erwarteten Stückzahlen müssen daher bereits jetzt Konzepte für die automatisierte Zustandsbeurteilung und Demontage von Brennstoffzellenstacks, mit dem Ziel einer Kreislaufwirtschaft, entwickelt werden, um langfristig zum Erfolg der Technologie beizutragen.

Entwicklung eines langzeitrobusten Brennstoffzellen-BHKW, Teilvorhaben: Systemanalyse und -management mit Fokus auf Integration in ein Energieversorgungskonzept

Ganzheitliche Produkt- und Prozessentwicklung von skalierbaren Bipolarplatten zur Umsetzung von innovativen Brennstoffzellen für CO2- neutrale Anwendungen, Teilvorhaben: Entwicklung geeigneter Fügeverfahren

Aktuell bedienen einzelne PEM-Brennstoffzellen (PEMFC) Leistungsbereiche von 95 bis max. 250kW. Dies ist jedoch für Luft-, Marine- und Schienenanwendungen sowie für stationäre Stromerzeugungssysteme nicht ausreichend, was ein Hindernis für die Energiewende darstellt. Für solche Anwendungen wären PEMFC mit einem Leistungsbereich von mind. 1 Megawatt und einer relativ hohen Lebensdauer erforderlich. Solche Leistungsanforderungen könnten allerdings nur mit skalierten PEMFC mit einer Flow Field Fläche der Bipolarplatten (BPP) von mind. 1.000cm² erzielt werden. Da BPP in solchen Größenordnungen heute aber aus technologischen sowie wirtschaftlichen Gründen nicht herstellbar sind, muss hierfür die gesamte Produkt- und Prozessentwicklung neu gedacht werden, was den Forschungsinhalt von 'BiPro2Scale' darstellt. Der Beitrag der Firma Weil Technology GmbH zur Erreichung dieser Gesamtzielsetzung besteht in der Entwicklung geeigneter Fügeverfahrens und Werkzeuge für größere (>1000cm2 aktive Fläche) und im speziellen hochskalierte BPP (Multiplikation des Grund Flowfields) um oxidfreie und dichte Schweißnähte zu garantieren. Die Entwicklung von Spannwerkzeugen welche homogene Anpresskraftverhältnisse (Nullspalt) bei gleichzeitiger Begasung mit Schutzgas, steht als innovative Inhalt im Vordergrund.

Ganzheitliche Produkt- und Prozessentwicklung von skalierbaren Bipolarplatten zur Umsetzung von innovativen Brennstoffzellen für CO2- neutrale Anwendungen, Teilvorhaben: Konzeption und Validierung des skalierbaren Bipolarplattendesigns

In dem Vorhaben wird ein vorhandenes Bipolarplattendesign mit einer aktiven Fläche von 73 cm2 auf eine aktive Fläche von 340 cm2 und eine aktive Fläche von 1020 cm2 übertragen und den Partner für die Erprobung und Weiterentwicklung verschiedener Umformtechniken verwendet. Zusätzlich werden in dem Projekt neue Beschichtungen, ein neues Verfahren zur Aufbringung der Dichtung und die Verspannung eines großen Stacks entwickelt sowie die Laserschweißtechnik für Bipolarplattenhälften zu kompletten Bipolarplatten für große Flächen weiterentwickelt. Im Rahmen des Projektes werden für die Beschichtungen und die Dichtungsapplikation auch Vorversuche an vorhandenen Bipolarplatten durchgeführt. In dem Projekt werden zur Prüfung der verschiedenen Herstellschritte und des hochskalierten Designs Bipolarplatten in den Größen einer aktiven Fläche von 340 cm2 und 1020 cm2 hergestellt. Die Bipolarplatten mit der Größe von 340 cm2 werden in Shortstacks mit einer elektrischen Leistung bis maximal 7 kW getestet, um so den Nachweis für die verschiedenen neu- bzw. weiterentwickelten Schritte bei der industriellen Herstellung von Bipolarplatten zu erbringen als auch den Nachweis für das Funktionieren des skalierbaren Bipolarplattendesigns zu erbringen.

Ganzheitliche Produkt- und Prozessentwicklung von skalierbaren Bipolarplatten zur Umsetzung von innovativen Brennstoffzellen für CO2- neutrale Anwendungen, Teilvorhaben: Entwicklung eines rotativen Prägeverfahrens zur Herstellung skalierbarer Bipolarplatten

Aktuell bedienen einzelne PEM-Brennstoffzellen (PEMFC) Leistungsbereiche von 95 bis max. 250kW. Dies ist jedoch für Luft-, Marine- und Schienenanwendungen sowie für stationäre Stromerzeugungssysteme nicht ausreichend, was ein Hindernis für die Energiewende darstellt. Für solche Anwendungen wären PEMFC mit einem Leistungsbereich von mind. 1 Megawatt und einer relativ hohen Lebensdauer erforderlich. Solche Leistungsanforderungen könnten allerdings nur mit skalierten PEMFC mit einer Flow Field Fläche der Bipolarplatten (BPP) von mind. 1.000cm² erzielt werden. Da BPP in solchen Größenordnungen heute aber aus technologischen sowie wirtschaftlichen Gründen nicht herstellbar sind, muss hierfür die gesamte Produkt- und Prozessentwicklung neu gedacht werden, was den Forschungsinhalt von 'BiPro2Scale' darstellt. Im Projekt werden hierfür aus produkttechnischer Sicht neue Ansätze für eine homogene Medienzufuhr und -verteilung erarbeitet. Fertigungstechnisch werden neue Umformverfahren entwickelt, um die hohen benötigten Prägekräfte zu reduzieren. Weiter werden neue Beschichtungen und entsprechende Applikationsverfahren zur Erhöhung der BPP-Lebensdauer entwickelt. Hinsichtlich der Fügetechnik werden neue Spannkonzepte sowie Fügeverfahren erprobt, die BPP in dieser Größenordnung maßhaltig fügen können. Für die Dichtheitsprüfung werden neue Prüfverfahren für skalierte BPP inklusive der erforderlichen Dichtungsapplikation erarbeitet. Dabei werden in 'BiPro2Scale' neben den technologischen Herausforderungen stets auch die Produktionskosten sowie die Produktperformance berücksichtigt. Matthews wird im Rahmen des Projekts ein Fertigungskonzept für die Herstellung von Bipolarhalbplatten mittels rotativem Prägen entwickeln und valideren.

Ganzheitliche Produkt- und Prozessentwicklung von skalierbaren Bipolarplatten zur Umsetzung von innovativen Brennstoffzellen für CO2- neutrale Anwendungen, Teilvorhaben: Entwicklung eines Inkjet-Druckverfahrens

Aktuell bedienen einzelne PEM-Brennstoffzellen (PEMFC) Leistungsbereiche von 95 bis max. 250kW. Dies ist jedoch für Luft-, Marine- und Schienenanwendungen sowie für stationäre Stromerzeugungssysteme nicht ausreichend, was ein Hindernis für die Energiewende darstellt. Für solche Anwendungen wären PEMFC mit einem Leistungsbereich von mind. 1 Megawatt und einer relativ hohen Lebensdauer erforderlich. Solche Leistungsanforderungen könnten allerdings nur mit skalierten PEMFC mit einer Flow Field Fläche der Bipolarplatten (BPP) von mind. 1.000cm² erzielt werden. Da BPP in solchen Größenordnungen heute aber aus technologischen sowie wirtschaftlichen Gründen nicht herstellbar sind, muss hierfür die gesamte Produkt- und Prozessentwicklung neu gedacht werden, was den Forschungsinhalt von 'BiPro2Scale' darstellt. Im Projekt werden hierfür aus produkttechnischer Sicht neue Ansätze für eine homogene Medienzufuhr und -verteilung erarbeitet. Fertigungstechnisch werden neue Umformverfahren entwickelt, um die hohen benötigten Prägekräfte zu reduzieren. Weiter werden neue Beschichtungen und entsprechende Applikationsverfahren zur Erhöhung der BPP-Lebensdauer entwickelt. Hinsichtlich der Fügetechnik werden neue Spannkonzepte sowie Fügeverfahren erprobt, die BPP in dieser Größenordnung maßhaltig fügen können. Für die Dichtheitsprüfung werden neue Prüfverfahren für skalierte BPP inklusive der erforderlichen Dichtungsapplikation erarbeitet. Dabei werden in 'BiPro2Scale' neben den technologischen Herausforderungen stets auch die Produktionskosten sowie die Produktperformance berücksichtigt. Der Beitrag der C-marx GmbH besteht in der Entwicklung eines innovativen Verfahrens für das Applizieren der Dichtstruktur für Bipolarplatten (BPP), dass mehr Flexibilität in der Auslegung der Dichtung ermöglicht und bedeutend zeiteffizienter und somit kostensparender im Auftragen der Dichtstruktur als herkömmliche Verfahren ist. Den innovativen Kern bildet dabei die eingesetzte Inkjet-Technologie.

Ganzheitliche Produkt- und Prozessentwicklung von skalierbaren Bipolarplatten zur Umsetzung von innovativen Brennstoffzellen für CO2- neutrale Anwendungen, Teilvorhaben: Entwicklung eines neuartigen Spannkonzept zur Leistungssteigerung eines (Brennstoffzellen) Stacks

Aktuell bedienen einzelne PEM-Brennstoffzellen (PEMFC) Leistungsbereiche von 95 bis max. 250kW. Dies ist jedoch für Luft-, Marine- und Schienenanwendungen sowie für stationäre Stromerzeugungssysteme nicht ausreichend, was ein Hindernis für die Energiewende darstellt. Für solche Anwendungen wären PEMFC mit einem Leistungsbereich von mind. 1 Megawatt und einer relativ hohen Lebensdauer erforderlich. Solche Leistungsanforderungen könnten allerdings nur mit skalierten PEMFC mit einer Flow Field Fläche der Bipolarplatten (BPP) von mind. 1.000cm² erzielt werden. Da BPP in solchen Größenordnungen heute aber aus technologischen sowie wirtschaftlichen Gründen nicht herstellbar sind, muss hierfür die gesamte Produkt- und Prozessentwicklung neu gedacht werden, was den Forschungsinhalt von 'BiPro2Scale' darstellt. Im Projekt werden hierfür aus produkttechnischer Sicht neue Ansätze für eine homogene Medienzufuhr und -verteilung erarbeitet. Fertigungstechnisch werden neue Umformverfahren entwickelt, um die hohen benötigten Prägekräfte zu reduzieren. Weiter werden neue Beschichtungen und entsprechende Applikationsverfahren zur Erhöhung der BPP-Lebensdauer entwickelt. Hinsichtlich der Fügetechnik werden neue Spannkonzepte sowie Fügeverfahren erprobt, die BPP in dieser Größenordnung maßhaltig fügen können. Für die Dichtheitsprüfung werden neue Prüfverfahren für skalierte BPP inklusive der erforderlichen Dichtungsapplikation erarbeitet. Dabei werden in 'BiPro2Scale' neben den technologischen Herausforderungen stets auch die Produktionskosten sowie die Produktperformance berücksichtigt. HoKon befasst sich in seinen Arbeitspaketen mit der Auslegung, Entwicklung und Fertigung eines geeigneten Verspannsystems für die großflächigen Brennstoffzellen.

Ganzheitliche Produkt- und Prozessentwicklung von skalierbaren Bipolarplatten zur Umsetzung von innovativen Brennstoffzellen für CO2- neutrale Anwendungen, Teilvorhaben: Entwicklung von Beschichtungsverfahren für langlebige hochskalierte BPP

Aktuell bedienen einzelne PEM-Brennstoffzellen (PEMFC) Leistungsbereiche von 95 bis max. 250kW. Dies ist jedoch für Luft-, Marine- und Schienenanwendungen sowie für stationäre Stromerzeugungssysteme nicht ausreichend, was ein Hindernis für die Energiewende darstellt. Für solche Anwendungen wären PEMFC mit einem Leistungsbereich von mind. 1 Megawatt und einer relativ hohen Lebensdauer erforderlich. Solche Leistungsanforderungen könnten allerdings nur mit skalierten PEMFC mit einer Flow Field Fläche der Bipolarplatten (BPP) von mind. 1.000cm² erzielt werden. Da BPP in solchen Größenordnungen heute aber aus technologischen sowie wirtschaftlichen Gründen nicht herstellbar sind, muss hierfür die gesamte Produkt- und Prozessentwicklung neu gedacht werden, was den Forschungsinhalt von 'BiPro2Scale' darstellt. Im Projekt werden hierfür aus produkttechnischer Sicht neue Ansätze für eine homogene Medienzufuhr und -verteilung erarbeitet. Fertigungstechnisch werden neue Umformverfahren entwickelt, um die hohen benötigten Prägekräfte zu reduzieren. Weiter werden neue Beschichtungen und entsprechende Applikationsverfahren zur Erhöhung der BPP-Lebensdauer entwickelt. Hinsichtlich der Fügetechnik werden neue Spannkonzepte sowie Fügeverfahren erprobt, die BPP in dieser Größenordnung maßhaltig fügen können. Für die Dichtheitsprüfung werden neue Prüfverfahren für skalierte BPP inklusive der erforderlichen Dichtungsapplikation erarbeitet. Dabei werden in 'BiPro2Scale' neben den technologischen Herausforderungen stets auch die Produktionskosten sowie die Produktperformance berücksichtigt. Das Teilvorhaben befasst sich mit der Beschichtung der gefügten BPP, um eine möglichst hohe Lebensdauer zu ermöglichen. Hierfür werden Hochleistungs-Kohlenstoff-Beschichtungen und deren Applikationstechnologie für großflächige BPP entwickelt. Gleichzeitig werden die Beschichtungsprozesse im Hinblick auf industriell taugliche hohe Produktivität weiterentwickelt.

Einsatz von Innovativer Sensorik zur Verbesserung der Effizienz und Haltbarkeit von Brennstoffzellen, Teilvorhaben: Entwicklung optischer und thermischer Sensorik für die Extremfeuchtemessung

Das Ziel des Projekts EISBaEr ist die Nutzung von innovativer Sensorik zur Verbesserung der Effizienz und Haltbarkeit von Brennstoffzellen für die stationäre Energieerzeugung. Hierbei sollen neue oder weiterentwickelte Sensoren im Brennstoffzellen-Stack eingesetzt werden, um Betriebszustände zu optimieren und die Alterung zu verlangsamen. Wichtige Kenngrößen sind die Feuchte und die Wasserstoff-Unterversorgung auf der Anoden- und Kathodenseite. Das Projekt untersucht, ob diese mit Gassensoren, elektrochemischer Impedanzspektroskopie oder einer Kombination der beiden Ansätze bestimmt werden können. Ziel ist, robuste Sensorgehäuse zu entwickeln, die mehrere Einzelsensoren integrieren und langzeitstabile Sensoren für extreme Feuchtewerte bereitstellen. Zudem wird ein Prototyp für die elektrochemische Impedanz entwickelt, der für den Betrieb in Brennstoffzellen angepasst werden soll. Abschließend werden die Funktionalität und Performance der Sensoren im Betrieb getestet und bewertet.

Ganzheitliche Produkt- und Prozessentwicklung von skalierbaren Bipolarplatten zur Umsetzung von innovativen Brennstoffzellen für CO2- neutrale Anwendungen, Teilvorhaben: Entwicklung neuer Simulationsstrategien und Umformverfahren für die Herstellung von skalierbaren Bipolarplatten

Aktuell bedienen einzelne PEM-Brennstoffzellen (PEMFC) Leistungsbereiche von 95 bis max. 250kW. Dies ist jedoch für Luft-, Marine- und Schienenanwendungen sowie für stationäre Stromerzeugungssysteme nicht ausreichend, was ein Hindernis für die Energiewende darstellt. Für solche Anwendungen wären PEMFC mit einem Leistungsbereich von mind. 1 Megawatt und einer relativ hohen Lebensdauer erforderlich. Solche Leistungsanforderungen könnten allerdings nur mit skalierten PEMFC mit einer Flow Field Fläche der Bipolarplatten (BPP) von mind. 1.000cm² erzielt werden. Da BPP in solchen Größenordnungen heute aber aus technologischen sowie wirtschaftlichen Gründen nicht herstellbar sind, muss hierfür die gesamte Produkt- und Prozessentwicklung neu gedacht werden, was den Forschungsinhalt von 'BiPro2Scale' darstellt. Im Projekt werden hierfür aus produkttechnischer Sicht neue Ansätze für eine homogene Medienzufuhr und -verteilung erarbeitet. Fertigungstechnisch werden neue Umformverfahren entwickelt, um die hohen benötigten Prägekräfte zu reduzieren. Weiter werden neue Beschichtungen und entsprechende Applikationsverfahren zur Erhöhung der BPP-Lebensdauer entwickelt. Hinsichtlich der Fügetechnik werden neue Spannkonzepte sowie Fügeverfahren erprobt, die BPP in dieser Größenordnung maßhaltig fügen können. Für die Dichtheitsprüfung werden neue Prüfverfahren für skalierte BPP inklusive der erforderlichen Dichtungsapplikation erarbeitet. Dabei werden in 'BiPro2Scale' neben den technologischen Herausforderungen stets auch die Produktionskosten sowie die Produktperformance berücksichtigt. Der Beitrag des Instituts für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart zur Erreichung dieser Gesamtzielsetzung besteht in der Charakterisierung und Modellierung von metallischen Folien mit Blick auf eine möglichst rechenzeiteffiziente numerische Auslegung des Umformprozesses von Bipolarhalbplatten und darauf aufbauend in der Entwicklung eines Umformverfahrens mit reduziertem Presskraftbedarf.

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