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.
1. Vorhabensziel: In der Vergangenheit wurden von Volkswagen bereits Brennstoffzellenstapel mit der Hochtemperatur MEA Technologie sowie kleinere Stapel mit der Niedertemperatur MEA Technologie aufgebaut. Durch den vollzogenen Strategiewechsel zur NT Technologie ergibt sich die Notwendigkeit, einen eigenen NT Stapel zu entwickeln, der sowohl in Konstruktion als auch Materialauswahl den Ansprüchen eines Massenmarktes in Bezug auf Masse, Volumen und Kosten gerecht wird. Ziel des Projektes ist dabei, einen großen Teil der Wertschöpfungskette bis hin zum eigentlichen Stapelaufbau mit langfristigem Fokus in Deutschland darzustellen und damit erstmals die Grundlage für einen deutschen Stapelhersteller aufzubauen. Zusätzlich soll im Rahmen des Projekts eine inländische Alternative zu den leistungsmäßig überlegenen nordamerikanischen MEAs geschaffen werden. 2. ArbeitsplanungAP1 - Festlegung Bauteilspezifikationen / AP2 - Stapelkonstruktion / AP3 - Festlegung Messparameter / AP4 - GDL Anpassung / AP5 - Korrosionsuntersuchungen Bipolarplatten / AP6 - Stapelaufbau + Montage / AP7 - Prüffeldbetrieb /AP8 - GDL Entwicklung und Herstellung / AP9 - Dichtungsentwicklung und -herstellung / AP10 -Katalysatorentwicklung / AP11 - MEA Entwicklung / AP12 - Bipolarplattenentwicklung und -fertigung / AP13 -Kostenanalyse / AP14 - Beurteilung Übertragbarkeitspotential / AP15 - Projektadministration.
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 von Callux ist es, in einem Praxistest die Markteinführung von Brennstoffzellen-Heizgeräten vorzubereiten. Um ein hohes Servicelevel bei der Betreuung der Anlagen zu gewährleisten, werden die Aktivitäten regional von den beteiligten Partnern gebündelt. Es werden Geräte folgender Hersteller erprobt: BAXI Innotech ( Leistungsdaten des Gerätes: 1 - 1.5 kWe basierend auf NT-PEM-Technologie), Hexis ( Leistungsdaten des Gerätes: 0.8 - 1 kWe SOFC-Technologie) und Vaillant (Leistungsdaten des Gerätes: 1 kWe SOFC und 4.6 kWe HT-PEM-Technologie). Bis 2012 werden sukzessive die 808 Geräte installiert und dann bis 2015 erprobt. In diesem Zeitraum sollen die notwendigen Erfahrungen für eine Markteinführung gesammelt werden. Brennstoffzellen-Heizgeräte nutzen den Wasserstoff, der im Erdgas enthalten ist. Die Infrastruktur des Gasleitungsnetzes ist weit entwickelt, so dass eine großflächige Versorgung in Deutschland möglich ist. Die gleichzeitige Produktion von Strom und Wärme mit Brennstoffzellen-Heizgeräten vor Ort bringt die hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung in jedes Haus. Die Geräte produzieren im Haus Strom und nutzen die Abwärme als Nutzwärme. Das spart bis zu 30 Prozent an Primärenergie gegenüber der herkömmlichen Versorgung. Darüber hinaus werden Transportverluste im Stromverteilnetz vermieden. Für den Hausbesitzer rechnet sich das Brennstoffzellen-Heizgerät insbesondere deshalb, weil er seinen Strombedarf nicht nur aus dem öffentlichen Netz deckt, sondern dieser Strom größtenteils durch die Stromerzeugung im Brennstoffzellen-Heizgeräte ersetzt werden kann. Der Hauseigentümer kann durch die gleichzeitige Produktion von Strom und Wärme seine Energiekosten gegenüber der konventionellen Versorgung mit beispielsweise Brennwertkessel und reinem Netzstrombezug daher deutlich senken. Zudem können durch erdgasbetriebene Brennstoffzellen-Heizgeräte gegenüber einem Erdgas-Brennwertkessel zur Wärmebereitstellung und Strombezug aus dem öffentlichen Netz deutliche CO2- und Primärenergieeinsparungen erreicht werden. Brennstoffzellen-Heizgeräte sind besonders geeignet für den Gebäudebestand, der auch nach durchgeführten Wärmedämm-Maßnahmen einen deutlich höheren Wärmebedarf als der Neubau aufweisen wird. Ziel ist, dass die Geräte mindestens 5000-6000 Betriebsstunden pro Jahr erreichen. Folglich muss für den Einsatz einer Brennstoffzelle im betreffenden Objekt ein jährlicher Mindestwärmebedarf bestehen. Brennstoffzellen-Heizgeräte sollen vorrangig dort eingesetzt werden, wo heute herkömmliche Heizkessel installiert sind. In Zukunft wird in einem Gerät Strom und Wärme erzeugt.