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IEA AFC Annex 31: Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (Arbeitsperiode 2020 - 2024)

Brennstoffzellen bieten ein erhebliches Potenzial für die Umgestaltung der Energieversorgung und Mobilität. Darüber hinaus kann Wasserstoff als Speichermedium für erneuerbare Energien eingesetzt werden, was Netzstabilität und Versorgungssicherheit erhöht. Annex 31 befasst sich mit der technologischen Entwicklung der Schlüsselkomponenten von Brennstoffzellen, der Systementwicklung sowie der Unterstützung der Markteinführung durch die Analyse und Entwicklung der politischen Rahmenbedingungen und dem Abbau von Markteintrittsbarrieren.

Kurzbeschreibung

Alle Aspekte der Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen werden in Annex 31 behandelt. Sowohl Einzelkomponenten als auch Brennstoffzellenstacks und Systemaspekte werden ausführlich behandelt.
Der Schwerpunkt der österreichischen Beteiligung liegt auf Forschung und Entwicklung. Dies umfasst die Charakterisierung, Evaluierung und Optimierung von Brennstoffzellen sowie die Entwicklung von Materialien und Technologien zur Kostenreduktion und Verbesserung von Leistung und Lebensdauer. Die betrachteten Systeme umfassen die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC) und Direkt-Brennstoffzellen wie die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) und die Direkt-Ethanol-Brennstoffzelle (DEFC) sowie die entsprechenden Gesamtsysteme. Im Mittelpunkt stehen folgende Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten.

Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten

Neue Materialien für Brennstoffzellenstapel

Die Entwicklung von neuartigen Membranen mittels Electro-Spinning sowie die Optimierung der Stabilität von Katalysatorsuspensionen und deren Einfluss auf die Funktionalität von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen steht im Zentrum dieses Schwerpunkts. Da neue Katalysatorsysteme innovative Herstellungsverfahren erfordern, ist besonders auch die Stabilität bei Sedimentations-, Imprägnierungs- und Sprühverfahren über längere Zeiträume entscheidend.

 

Mikroskop-Aufnahmen
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der Katalysatorschichten von MEA-0 (a), MEA-672 (b) und MEA-EX (c) bei niedriger (1) und hoher (2) Vergrößerung. (TU Graz)

System, Komponenten und Balance-of-Plant- Gesichtspunkte

Ein theoretischer Überblick, eine experimentelle Validierung und eine 3D-Analyse des Modells anhand von Daten einer PEM-Brennstoffzelle mit drei Serpentinen unter verschiedenen Betriebsbedingungen wurden erarbeitet. Das Modell verwendet einen Sub-Zyklus-Ansatz, um die Degradation über Zeit und Raum zu steuern. Es zeigt, dass höhere Temperaturen und niedrigere Luftfeuchtigkeit die Degradation beschleunigen, was die Gesamtleistung und die Menge der elektrochemisch aktiven Oberfläche verringert. Auch die Stromdichteverteilungen, die Einblicke in lokalisierte Degradationsphänomene geben, wurden untersucht.

Grafische Darstellung
Veranschaulichung der Sub-Zyklus-Methode zur Integration von Degradationsmodellen in einen 3D-CFD-Rahmen, wobei der Prozess der Auflösung der anfänglichen Zyklen mit detaillierten Zeitschritten demonstriert wird. (TU Graz)

Brennstoffkonditionierung

Neuartige strukturiert Sauerstoffträger mit einer Core-Shell-Architektur stellen ein innovatives Konzept zur Vermeidung der Agglomeration von Pellets im Chemical-Looping-Hydrogen-Reaktorsystem dar. Das umweltfreundliche Material auf Eisenbasis behielt eine Sauerstoffaustauschkapazität von über 80 % für 100 Zyklen bei. Detaillierte Untersuchungen zu Inaktivierungseffekten dienen der Verbessrung dieser Technologie zur Bereitstellung von hochreinem Wasserstoff für PEM-Brennstoffzellen.

Grafische Darstellung möglicher Deaktivierungserscheinungen
Mögliche Deaktivierungserscheinungen des Sauerstoffträgers im Festbett-CLH-System: a) Druckverlust wegen Pulverbildung, b) Bildung unreaktiver Nebenprodukten durch Migration aus dem Al2O3-Support, c) Migration von unreaktiven Nebenprodukten durch Migration aus dem Sauerstoffträger. (TU Graz)

Projekt-Bilder

Nutzungshinweis: Die unter Projekt-Bilder aufgelisteten Bilder stammen aus den Projekten, die im Rahmen der Programme Stadt der Zukunft, Haus der Zukunft und IEA Forschungskooperation entstanden sind. Sie dürfen unter der Creative Commons Lizenz zur nicht-kommerziellen Nutzung unter Namensnennung (CC BY-NC) verwendet werden.

Publikationen

IEA Fortschrittliche Brennstoffzellen (AFC) Annex 31: Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzellen

Brennstoffzellen bieten ein erhebliches Potenzial für die Umgestaltung der Energieversorgung und Mobilität. Darüber hinaus kann Wasserstoff als Speichermedium für erneuerbare Energien eingesetzt werden, was Netzstabilität und Versorgungssicherheit erhöht. Annex 31 befasst sich mit der technologischen Entwicklung der Schlüsselkomponenten von Brennstoffzellen, der Systementwicklung sowie der Unterstützung der Markteinführung durch die Analyse und Entwicklung der politischen Rahmenbedingungen und dem Abbau von Markteintrittsbarrieren. Schriftenreihe 62/2025
 DI Michael Lammer, Joel Mata Edjokola, Dipl.-Ing. Dr.techn. Maximilian Grandi, BSc, Dipl.-Ing. Mathias Heidinger, BSc, Dipl.-Ing. Maximilian Käfer, BSc., Dipl.-Ing. Mario Kircher, BSc., Lis. Dipl.-Ing. Özge Kiziltan, Dipl.-Ing. Eveline Kuhnert BSc, Dipl.-Ing. Magdalena Pauritsch, BSc., Ing. Civ. Lukas Fernando Roessler Escudero, Dipl.-Ing. BSc. Florian Tritscher, Brigitte Hammer, Bakk., Prof. Dr. Viktor Hacker
Herausgeber: BMIMI
Deutsch, 38 Seiten

Studien und Papers

Teilnehmende Staaten

China, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Israel, Japan, Mexiko, Österreich, Schweden, Schweiz, Spanien, Südkorea, USA (Leitung)

Kontaktadresse

Prof. Dr. Viktor Hacker
Brigitte Hammer, Bakk.
DI Michael Lammer
Technische Universität Graz
Institut für Chemische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik
Brennstoffzellenlabor
Inffeldgasse 25 C, 8010 Graz
E-Mail: viktor.hacker@tugraz.at; brigitte.hammer@tugraz.at; michael.lammer@tugraz.at
Tel.: +43 (316) 873-8780; +43 (316) 873-8781; +43 (316) 873-8795