Erneuerbare Energietechnologien spielen eine signifikante Rolle bei der Reduktion von von CO2- und anderen Schadstoffenemissionen in Deutschland, Europa und weltweit. Der Einsatz von Wasserstoff ermöglicht die effektive chemische Speicherung von Energie, die in Brennstoffzellen wieder in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Brennstoffzellen basieren auf elektrochemischen Prozessen und zeichnen sich durch CO2-Emissionsfreiheit, Geräuscharmut und in einigen Fällen durch eine höhere Effizienz als konventionelle Verbrennungstechnologien aus. Um die Prinzipien der Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung von Anfang an ganzheitlich umzusetzen, gehen wir Langzeit- und Korrosionsstabilität, vereinfachte Produktionsprozesse mit standardisierter Qualitätskontrolle, Kosteneffizienz und Umweltverträglichkeit sowie Recycling von Komponenten an.
Bild 1: Teststand für Hochtemperatur- und Niedrigtemperatur-PEM Brennstoffzellen
Die Teststände für Einzelzellen ermöglichen HT-/NT-PEM Brennstoffzellenuntersuchungen unter kontrollierten Bedingungen (anwendungsnahe Lastprofile, Kontaminationen, Degradationen, Stresstests).
Bild 2: Messzelle mit Flussfeld für Hochtemperatur-PEM Brennstoffzellen
Einzelmesszellen für die HT-PEM Brennstoffzelle beinhalten Flussfelder für die Gase sowie Membranelektrodeneinheiten verschiedener Art für den Teststandbetrieb
Bild 4: Hochtemperatur-Ofen für thermische Behandlungen
Der Hochtemperatur-Ofen (bis 3,000 °C) dient der thermischen Behandlung verschiedener Komponenten und wird unter anderem für die Graphitisierung von Kohlenstoffen als Hauptbestandteil in Elektroden für elektrochemische Systeme eingesetzt.
Die Hochtemperatur-PEM Technologie wird neben der elektrochemischen Wasserstoffseparation für Brennstoffzellen eingesetzt und besitzt einen Betriebstemperaturbereich von 120–200°C. Höhere Toleranzen gegenüber Kohlenmonoxid- oder Schwefel-basierten Kontaminationen im Vergleich entlang der PEM Technologien ermöglichen den Betrieb mit reformiertem Wasserstoff auf Basis von z.B. Methanol in der maritimen Anwendung und der perspektivischen Brennstoffflexibilität in beispielsweise portablen Systemen.
Durch Vermeidung der aktiven Zellbefeuchtung und verbesserter Kühlung wird zudem das Systemdesign vereinfacht. Dieses ist im Bereich der Luftfahrtanwendung in Bezug auf Volumen, Masse und Energieverbrauch des Brennstoffzellenantriebsstrangs relevant.
Expertise
Am DLR-Institut für Technische Thermodynamik in Oldenburg werden Hochtemperatur-PEM Brennstoffzellen in Bezug auf die Leistungsdichte, Langzeit- und Korrosionsstabilität, standardisierte Qualitätskontrolle, Kosteneffizienz und Umweltverträglichkeit (PFAS-frei) ganzheitlich analysiert und entwickelt. Das umfasst einzelne Komponenten wie Elektroden bis hin zur Membranelektrodeneinheit (MEA) und Einzelzellen.
Teststände für Hochtemperatur-/Niedrigtemperatur-PEM Einzelzellen bis 25 cm² (siehe Bild 1 und 2) unter kontrollierten Bedingungen (anwendungsnahe Lastprofile, Kontaminations- und Degradationsuntersuchungen, Stress- und Langzeittests von 1.000 h oder länger)
Computertomographie für die zerstörungsfreie 3D-Analytik von Komponenten und Zellen verschiedener Art mit einer Auflösung bis 100 nm und möglicher Kombination mit weiteren 2D/3D-Analytiken
Beschichtungstechniken für Elektroden (Rakeln und Ultraschallsprühen)
Chemische/physikalische Analytik [Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF), hochauflösende Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) mit Laserablation und laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS), Kontaktwinkelbestimmung (Bild 3), Thermogravimetrische Analyse (TGA), Ionenchromatographie (IC), Raman, u.a.)]
Zudem werden anwendungsübergreifend kosteneffiziente Katalysatoren und Elektroden für verschiedene elektrochemische Prozesse (Sauerstoffreduktionsreaktion, CO2-Reduktionsreaktion, …) entwickelt:
Nasschemische Synthesen von edelmetallfreien Einzelatomkatalysatoren und thermische Behandlung mittels Hochtemperatur-Ofen bis 3.000 °C (Bild 4).
Katalysatorscreening mittels rotierender Ringscheibenelektrode (RRDE) hinsichtlich Aktivitäten, Selektivitäten und Stabilitäten und möglicher Kopplung mit IL-TEM (Transmissionselektronenmikroskopie mit identischem Ort vor und nach elektrochemischer Untersuchungen).
Halbzellenaufbauten zur Leistungs- und Stabilitätsuntersuchung von Gasdiffusionselektroden (GDEs) mit möglicher Variation von Temperatur, Elektrolyt oder auch aktiven Elektrodenoberflächen.
