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Leuchtturm Projekte

© Alexander Debieve '

Entwicklung von Tests und analytischen Methoden zur beschleunigten Alterung von H2-PEM-Brennstoffzellen für die Anwendung in schweren Nutzfahrzeugen

Die Herausforderungen des 21. Jahrhunderts wie die Endlichkeit der fossilen Energieträger und der fortschreitende Klimawandel treiben die Suche nach alternativen Energiesystemen an. Eine Alternative bieten Brennstoffzellen, da diese je nach verwendetem Typ Brennstoffe wie Wasserstoff, Methanol oder Biogas nutzen und damit die Emission von Treibhausgasen und auch den Grad der Luftverschmutzung senken können. Dabei ist besonders die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte, hohen Effizienz und geringen Betriebstemperatur einer der aussichtsreichsten Alternativen für den Transportbereich.Trotz intensiver Forschung zählen hohe Kosten, eine zu geringe Effizienz und Lebensdauer zu den Herausforderungen, die es noch zu bewältigen gilt.
Während die Kosten voraussichtlich aufgrund höherer Produktionsmengen und verfügbarer Alternativen zu teuren Materialen wie Platin sinken werden, ist die Alterung der Brennstoffzelle und die damit verbundene geringe Lebensdauer immer noch nur teilweise verstanden und muss daher Gegenstand intensiver Forschung sein. Das US Department of Energy (DOE) gibt beispielsweise als Lebensziel für Brennstoffzellen in Lastkraftwagen (LKW) eine Lebensdauer von 25.000 Stunden bis zum Jahr 2030 und 30.000 Stunden als ultimatives Ziel an.[4] Für Brennstoffzellen in Personenkraftwagen (PKW) sind die Anforderungen deutlich geringer. Die Ziele des DOE liegen für PKWs bei 5000 Stunden Lebensdauer bis 2025 und bei 8000 Stunden als ultimatives Ziel. Zum Vergleich erreicht der bereits kommerziell erhältliche Brennstoffzellen-PKW Mirai von Toyota in einem Test eine Lebensdauer von 3.000 Stunden.
Das Ziel der aktuellen Forschung muss somit die Erhöhung der Lebensdauer der Brennstoffzelle sein. Hierzu müssen die Alterungsmechanismen grundlegend untersucht und verstanden werden. Zu diesem Zweck soll ein 2,5 kW Brennstoffzellenprüfstand auf dem Gelände des zukünftigen Future DriveLine Campus betrieben werden. Der Future DriveLine Campus ist eine Kooperation der Technischen Hochschule Nürnberg und der MAN Bus&Truck SE zum Zweck der gemeinsamen Forschung an alternativen Antriebssystemen. An diesem Prüfstand soll die Alterung von Wasserstoff-Poylmerelektrolytmembran-Brennstoffzellen durchgeführt und beschleunigte Alterungstests entwickelt werden. Es sollen dabei systematisch Einflüsse wie die Temperatur der Zelle und der Reaktionsgase, die Gasfeuchte, Lastzyklen und Verunreinigungen in den Reaktionsgasen Wasserstoff und Luft untersucht werden. Die Charakterisierung der Alterung wird neben elektrochemischen in-situ Methoden im Prüfstand auch ex-situ mithilfe von IR, Raman, RFA, XRD, TEM, REM, EDX und XPS erfolgen.
Zusätzlich zur Alterung am Brennstoffzellenprüfstand soll die Eignung der elektrischen Impedanztomographie als Methode zur Charakterisierung von Brennstoffzellmembranen entwickelt werden. Die elektrische Impedanztomographie ist ein nicht-invasives, strahlungsfreies und bildgebendes Verfahren zur ortsaufgelösten zwei- oder dreidimensionalen Messung der Impedanz an festen Proben. Neben dem Test der grundsätzlichen Eignung dieses Verfahrens soll ein Demonstrator entwickelt werden, der die Untersuchung der Brennstoffzellenkomponenten in Abhängigkeit der Alterung mithilfe der elektrischen
Impedanztomographie ermöglicht.

MITGLIED IM KOLLEG

seit

Verbundkolleg Ressourceneffizienz und Werkstoffe

Betreuer Technische Hochschule Nürnberg:
Betreuerin Universität Bayreuth:

Publikationen

Thiel S, Eichelbaum M. Scanning electrochemical microscopy for the differentiation of radical-induced degradation mechanisms in polymer electrolyte membranes. RSC Adv. 2024 Apr 26;14(20):13748-13757. doi: 10.1039/d4ra02203c.

Vorträge und Präsentationen

S. Thiel, M. Eichelbaum. Investigation of Degradation Processes in Polymer Electrolyte Membranes in Fuel Cells for Heavy-Duty Vehicles. Bunsen-Tagung, 2023, Berlin.

L. Birkner, S. Thiel, M. Eichelbaum. Monitoring, Understanding and Predicting Degradation Processes in Hydrogen PEM Fuel Cells for Heavy-Duty Transportation Applications. 3rd Conference of the GDCh division of Chemistry and Energy, 2023, Pfinztal.

Stipendien und Auszeichnungen

Teilstipendium der Fachgruppe Chemie und Energie (GDCh) für die Fachgruppentagung GREEN Materials - Processes – Industry.

Susanne Thiel

Susanne Thiel

Technische Hochschule Nürnberg