DuraFuelCell - Multiskalen-Untersuchung zur Entwicklung langlebiger und effizienter Wasserstoff-Brennstoffzellensysteme für mobile und stationäre Anwendungen

DuraFuelCell ist ein von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstütztes Verbundvorhaben aus 9 Teilprojekten. Der Forschungsimpuls hat zum Ziel die Lebensdauer von PEM-Brennstoffzellen Skalenübergreifend zu untersuchen. Dabei liegt der Fokus auf stationären und schweren Verkehrsanwendungen.

Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien werden seit Jahrzehnten als notwendiger Bestandteil eines defossilisierten Energiesystems diskutiert und erforscht. Die dramatische Zuspitzung der Klimakrise mit dem Erreichen irreversibler Kipppunkte und die aktuelle Rohstoff- und Energiekrise mit beispiellosen Preissprüngen für fossile Energieträger machen deutlich, dass eine Wasserstoffwirtschaft sofort umgesetzt werden muss. Brennstoffzellen sind in diesem Szenario von entscheidender Bedeutung, da sie grünen Wasserstoff, der durch Wasserelektrolyse unter Verwendung von lokalem erneuerbarem (überschüssigem) Strom hergestellt oder aus Ländern mit optimaleren Wind- und Sonnenbedingungen importiert wird, in Strom und Wärme umwandeln können. Anwendungen finden sich in vielen Bereichen, z. B. im Verkehrssektor, in energieintensiven Industrien und bei der Strom- und Wärmeversorgung von Gebäuden. Im Mobilitätssektor gehen viele Analysten davon aus, dass batterieelektrische Fahrzeugantriebe (BEV) mittelfristig den Verbrennungsmotor (ICE) in Light-Duty-Vehicles (LDV) flächendeckend ersetzen werden. Brennstoffzellen und die damit verbundene Wasserstofftank- und Versorgungsstruktur werden im Vergleich zur direkten Elektrifizierung als zu ineffizient angesehen. Im Jahr 2015 entfielen 45 % des weltweiten Energieverbrauchs im Verkehrssektor auf Autos und Motorräder. Die andere Hälfte, d. h. schwere Nutzfahrzeuge wie Lkw, Busse, Schiffe und Flugzeuge, müssen jedoch ebenfalls defossilisiert werden. Im Falle von Schwerlastkraftwagen könnten PEMFCs ihre Vorteile ideal ausspielen. Brennstoffzellen lassen sich sowohl in Bezug auf die Leistung als auch auf die Energie skalieren, wobei eine Vergrößerung des Wasserstofftanks und des Brennstoffzellenstapels mit einer wesentlich geringeren Gewichtszunahme einhergeht als bei reinen Batterieantrieben.

Die einzelnen Teilprojekte (Research Units) zielen darauf ab skalenübergreifend Brennstoffzellenalterung von materiellen Prozess auf der kleinst-messbaren Ebene bis hin zur Systemanwendung im Fahrzeug oder in stationärem System zu untersuchen. Wesentliche Ziele sind dabei vor allem die Charakterisierung des Katalysators unter verschiedenen Betriebszuständen und welches die Einflussparameter sind, die zu dessen reversibler und irreversibler Deaktivierung führen. Außerdem sollen Modelle entwickelt werden, die die Lebenszeit von PEM-Brennstoffzellen und Stacks bei gegebenen Systemparametern prädiktieren können.

Die Arbeitsgruppe Dezentrale Energiewandlung und Speicherung bearbeitet in ihrem Teilprojekt die Untersuchung der sogenannten „Upscaling-Effekte“ also die Übertragbarkeit der gewonnen Erkenntnisse der Einzelzelle auf einen Brennstoffzellenstapel mit variabler Anzahl von Zellen. Einflussnehmende Effekte dieser Forschung sind Medien-Ungleichverteilungen über den Stapel, thermische Spitzen, elektrische Kontaktfehler und mechanische Spannungen, die sich über den Stapel hinweg ausbreiten. Durch Tests an einem Brennstoffzellen Shotstack-System und daraus resultierender 1-D-Modellbilung soll dieses Ziel erreicht werden.

Teilprojektleiter: Prof. Dr.-Ing Frank Opferkuch

Bearbeitung: Bastian Werner, M. Sc.

Projektpartner: TU Darmstadt

Gefördert durch: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Zeitraum: 01.04.2024 - 31.03.2029

Zur Gesamtübersicht zum Verbundvorhaben hier klicken.