Research Unit F: Degradation und Effizienz von PEM-Brennstoffzellen in stationären Anwendungen

Im Rahmen dieses Arbeitspaketes im von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt DuraFuelCell wird die Anwendung von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFCs) für die Kraft-Wärme-Kopplung in stationären Anwendungen in Gebäuden, Siedlungen und Stadtteilen untersucht. Die Ausgangsstoffe Wasserstoff und Luft werden in Strom und Wärme umgewandelt (gleichzeitig wird Wasser gebildet). Im Rahmen des Forschungsprogramms werden eine Reihe von Modellszenarien analysiert, um Haushalte und ein größeres städtisches Gebiet gekoppelt mit Strom und Wärme zu versorgen. Die zentrale, definierende Variable ist das Verhältnis von Wärme- zu Strombedarf in den jeweiligen Gebäuden oder Siedlungen. Reale Daten von repräsentativen Gebäuden, Siedlungen und Stadtteilen werden verwendet, um verschiedene Bedarfsszenarien für die Sommer- (geringer Wärmebedarf) und Wintersaison (hoher Wärmebedarf) zu modellieren. Diese Bedarfe werden mit den experimentell bestimmten Strom- und Wärmeerzeugungskapazitäten einer PEMFC im Kilowattbereich in einer Laborumgebung abgeglichen. Darüber hinaus wird die Integration von Photovoltaik- und Windkraftanlagen in Kombination mit Batterie- und Wärmespeichern als Tag-Nacht-Puffer sowie Elektrolyseure für die saisonale Verschiebung von erneuerbaren Energieüberschüssen vom Sommer in den Winter in die Modellierungsaktivitäten einbezogen. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen wird die Analyse der Degradation von PEMFCs im Kontext ihrer Anwendung als Kraft-Wärme-Kopplungseinheiten und die Folgen von elektrischen und/oder thermischen Effizienzverlusten der Brennstoffzelle auf die Versorgung mit Strom und Wärme im Kontext der Modellszenarien sein. Folgende Erkenntnisse werden innerhalb des Projektes gewonnen:

• Schnelle Konzeptentwicklung und -prüfung für die Integration von PEMFCs in stationäre Kraft-Wärme-Kopplungsumgebungen;
• Grundlegendes Verständnis der Betriebsbedingungen im elektrischen und thermischen Betriebsmodus durch eine Kombination von theoretischer und experimenteller Arbeit;
• Detailliertes Verständnis des Zusammenspiels zwischen PEMFC-Kraft-Wärme-Kopplungseinheiten und Energieerzeugungssystemen (Photovoltaik, Wind), Energiespeichersystemen (Batterie, Elektrolyseur, Wasserstoff- und Wärmespeicher) und Endnutzern in Gebäuden, Siedlungen und Stadtteilen;
• Untersuchungen zur Kombination mit anderen Strom- und Wärmeerzeugern zur Spitzenlastabdeckung, wie Wärmepumpen;
• Konzepte für die unterbrechungsfreie Versorgung von Haushalten, Siedlungen und Stadtteilen mit Strom und Wärme über das Jahr;
• Detailliertes Verständnis der unterschiedlichen Betriebsbedingungen von PEMFCs und deren Auswirkungen auf die Versorgung von Gebäuden und Stadtteilen mit Strom und Wärme;
• Verständnis der Auswirkungen der Brennstoffzellen-Degradation auf die Versorgung mit Strom und Wärme im Kontext der Kraft-Wärme-Kopplung für Gebäude, Siedlungen und Stadtteile;
• Analyse der Schlüsselparameter aus den experimentellen Arbeiten dieser Forschungseinheit (z. B. Temperaturen und Drücke von Reaktanten und Produkten, Pt-Elektrokatalysatorkonzentrationen im Produktwasser, H2-/O2-Konzentrationen in den Produktgasen);
• Charakterisierung des Stacks und anderer Balance-of-Plant-Komponenten nach experimentellen Tests (in Zusammenarbeit mit anderen Forschungseinheiten).

Gegen Ende des Projekts wird ein Anforderungskatalog für die Anwendung von Brennstoffzellen in Gebäuden und städtischen Umgebungen erarbeitet. Die erzielten Forschungsergebnisse werden eine Grundlage für zukünftige Umsetzungsprojekte von Brennstoffzellen in Gebäuden und Siedlungen bieten.

Projektpartner: Verschiedene Partner wie Stadtwerke und Energieunternehmen

Das Projekt wird am H2Ohm Institut und am Institut für Energie und Gebäude (ieg) durchgeführt.