Verbesserung der Wasserstoffumwandlung für PEMFC durch innovatives Design bei Materialien und Membran-Elektroden-Einheiten

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) erfüllen wohl alle Voraussetzungen für eine saubere Energiewende weg von fossilen Brennstoffen, insbesondere wenn sie grünen Wasserstoff als Brennstoff verwenden, wodurch die anthropogenen Kohlenstoffemissionen erheblich reduziert werden. Durch ihren Einsatz beispielsweise im Straßenverkehr könnten bis 2050 voraussichtlich 3,8 Gt CO₂-Emissionen pro Jahr vermieden werden, was mehr als einem Fünftel der weltweiten CO₂-Emissionen entspricht.

HEROES konzentriert sich bewusst auf die Wasserstoffumwandlungstechnologie von PEMFCs als Hauptaktivität und berücksichtigt dabei die aktuellen Herausforderungen und zukünftigen Auswirkungen für mittelschwere/schwere Anwendungen (z. B. Lkw, Busse, Schiffsanwendungen).

Die Betriebsbedingungen von Brennstoffzellen für mittelschwere und schwere Nutzfahrzeuge unterscheiden sich in der Regel von denen für leichte Nutzfahrzeuge; beispielsweise sind lange Transportwege, lange Leerlaufzeiten und lange Betriebszeiten erforderlich. Diese Bedingungen erfordern eine hohe Brennstoffzelleneffizienz, wobei eine Spitzenleistung von 68–72 % angestrebt wird. Derzeit liegt der Wirkungsgrad modernster PEMFC für aktuelle dezentrale Stromversorgungssysteme und den Transportbereich bei etwa 35–38 %, während hybride Stromerzeugungssysteme einen Wirkungsgrad von 60 % erreichen können. Um mit herkömmlichen Stromerzeugungssystemen konkurrieren zu können, müssen PEMFC für mittelschwere/schwere Anwendungen einen verbesserten Wirkungsgrad bei gleichzeitig erheblicher Kostensenkung aufweisen.

Mittel-/schwerlast-PEMFCs sind für den Betrieb bei hohen Zellspannungen ausgelegt, um eine höhere Energieeffizienz zu erzielen, was folglich einen Betrieb bei hoher Spannung erfordert. In dieser Umgebung neigen jedoch modernste PEMFC-Komponenten wie Elektrokatalysatoren aus Platingruppenmetallen (PGM), Kohlenstoffträger usw. zu Leistungseinbußen aufgrund der Auflösung des Elektrokatalysators, der Oxidation des Kohlenstoffträgers und der Zersetzung der Perfluorsulfonatmembran. In diesem Sinne sind Elektrokatalysatoren mit hoher intrinsischer Aktivität die Voraussetzung für mittelschwere/schwere Brennstoffzellen, während die Stabilität der Katalysatoren bei hoher Spannung/hoher Stromdichte wichtig ist. Der PGM-Elektrokatalysator ist zudem teuer, was die Kosten für PEMFC in die Höhe treibt. Folglich besteht die größte Herausforderung bei der Entwicklung wettbewerbsfähiger PEMFC darin, über den Stand der Technik hinausgehende, neuartige, kostengünstige Materialkomponenten (Elektrokatalysator, Membran-Elektroden-Einheit (MEA) und Bipolarplatte) zu entwickeln, die die Leistungsstabilität von PEMFC unter Hochspannungsbetriebsbedingungen gewährleisten.

HEROES schlägt einen integrativen Ansatz zur Steigerung der PEMFC-Leistung vor, indem neuartige Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) zusammen mit mechanisch robusten ultradünnen graphitischen Bipolarplatten und innovativen MEA-Konstruktionen entwickelt werden, um eine PEMFC mit einem hohen Leistungs-Kosten-Verhältnis zu entwickeln.

Projektziele

Das Hauptziel von HEROES ist die Entwicklung von PEMFCs mit einem hohen Leistungs-Kosten-Verhältnis, die für den Hochspannungsbetrieb mit einer Zelleffizienz von 50 % HHV und einer hohen strukturellen Integrität geeignet sind, indem langlebige und nachhaltige Elektrokatalysatoren, Bipolarplatten und innovative MEA-Konstruktionen zum Einsatz kommen. Die erwarteten Ergebnisse von HEROES sind die Entwicklung innovativer Materialkomponenten, die wettbewerbsfähige PEMFCs für stationäre und Schwerlastanwendungen ermöglichen.

Innovationen

Die Entwicklung konzentriert sich auf die folgenden neuartigen Materialien:

• ORR-PGM-freier Elektrokatalysator auf Basis von M-N-C (M = Fe, Co und Mn) unter Verwendung von ZIF-8-Metallorganischen Gerüsten (MOFs) als N- und C-Vorläufer (AIT, Österreich)
• Neuartige polyionische Flüssigkeit (PIL) zur Verbesserung der ORR-Kinetik (CNRS, Frankreich)
• Ultradünne, mechanisch robuste graphitische Bipolarplatte (IAG GmbH; Österreich).
• Herstellung von Elektrokatalysatoren mit geringem PGM-Gehalt (KIER, Südkorea)
• Innovatives MEA-Design, Materialien und Integration (Korens RTX, Südkorea).

Rolle des AIT

Das AIT koordiniert das Projekt und entwickelt Metall-Stickstoff-Kohlenstoff (M-N-C; M = Fe und Co) Nanopulver für die neuen platinmetallfreien Katalysatoren zur Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) für PEFC-Anwendungen.

Förderung