AiF-FV-Nummer 23728

Beurteilung der Kaltstartfähigkeit von PEM-BZ und Entwicklung von Optimierungsstrategien für die Komponentenauslegung

Status & Laufzeit

Laufend: 01.07.2025 bis 31.12.2027

Forschungsstellen

Zusammenfassung

Eine wesentliche Fragestellung für die Markteinführung von PEM-BZ ist der Nachweis der Kaltstartfähigkeit, ohne den der Einsatz gemäß Department of Energy oder EU Vorgaben bei niedrigen Temperaturen nicht gestattet ist. Für einen erfolgreichen Kaltstart ist die Zeit bis zum Erreichen einer Temperatur > 0°C und damit die Wärmeentwicklung innerhalb der BZ von entscheidender Bedeutung. Variationen ergeben sich durch die thermische Masse der Komponenten, die Eiskapazität bzw. Porenstruktur und das -volumen der MEA sowie die Restwassermenge, welche durch die Abfahr- und Spülprozedur gesteuert wird. Letzteres, sowie die Menge des während des Kaltstarts kathodenseitig anfallenden Wassers und die damit verbundene Eisbildung führen zu verschiedenen Schadensbildern. Die Transportprozesse und Eislinsenbildungen sowie sekundäre Eisbildungen führen in Abhängigkeit der Anzahl an Froststartzyklen zu einer Erhöhung des Schadensgrades. Neben dem Zellaufbau können durch gezielte Veränderung der Materialeigenschaften Wasseransammlungen sowie Eisbildung beeinflusst werden. Mit Hilfe der Identifizierung und Optimierung kaltstartrelevanter Material- und Prüfparameter werden PEM-BZ nach den Vorgaben der EU kaltstartfähig. Es lassen sich Frostschäden an BZ gezielt verhindern, die Lebensdauer erhöhen und so Kosten reduzieren. Die Optimierung der Kaltstartfähigkeit kann durch verbesserte Materialparameter KMUs helfen, das Kaltstartverhalten ohne große Investitionen wie Eignungsprüfungen, nachträgliche Anpassungen oder Tests kostenintensiver Stapel zu verbessern. Es ergeben sich kürzere Entwicklungszeiten, eine höhere Rechts- und Innovationssicherheit sowie eine Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit am Markt. Das Vorhaben liefert wertvolle Hinweise zur Einstellung geeigneter Materialparameter und Anforderungen an Produkttypen für eine breite Anwendung von PEM-BZ Komponenten mit hoher Lebensdauer beim Einsatz bei tiefen Temperaturen. Für eine nachhaltige Zukunft spielt bei der Transformation des Energie- und Mobilitätssektors der Markthochlauf von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellensystemen (PEM-BZ) eine wesentliche Rolle. Für deren Einsatz vor allem im heavy-duty Sektor oder in stationären Anwendungen ist dabei der Nachweis der Robustheit, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Komponenten unter Berücksichtigung sämtlicher Einflussfaktoren von entscheidender Bedeutung für die Marktdurchsetzung. Gemäß dem Department of Energy (DOE) und nach EU Vorgaben ist der Nachweis der Eignung von Komponenten bei niedrigen Temperaturen sowie die Kaltstartfähigkeit zwingend erforderlich. In diesem Vorhaben werden kaltstartrelevante Material- und Prüfparameter identifiziert und über Materialanpassungen und Optimierung der Betriebsstrategien eine ausreichende Robustheit und Kaltstartresilienz erreicht. Als Ergebnis werden für die Anwender und Zulieferer im Bereich KMU Design Regeln für die Auslegung von Komponenten und die optimale Anpassungen von Randparametern entwickelt, mit deren Hilfe PEM-BZ nach den Vorgaben kaltstartfähig sind und wiederholte Frost-/ Kaltstartzyklen ohne gravierende Schäden überstehen. Als Ergebnis können KMUs geeignete Materialkombinationen und Prozessbedingungen auswählen, die für den Einsatz bei tiefen Temperaturen besonders geeignet sind und zu einer Erhöhung der Lebensdauer führen. Damit können Ausfälle einzelner Zellen vermieden und Frostschäden an mobilen und stationären Systemen gezielt verhindert werden. Die höheren Ansprüche an die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von BZ-Stapeln gerade im Nutzfahrzeugbereich können so erfüllt und Kosten reduziert werden. Für eine nachhaltige Zukunft spielt bei der Transformation des Energie- und Mobilitätssektors der Markthochlauf von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellensystemen (PEM-BZ) eine wesentliche Rolle. Für deren Einsatz vor allem im heavy-duty Sektor oder in stationären Anwendungen ist dabei der Nachweis der Robustheit, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Komponenten unter Berücksichtigung sämtlicher Einflussfaktoren von entscheidender Bedeutung für die Marktdurchsetzung. Gemäß dem Department of Energy (DOE) und nach EU Vorgaben ist der Nachweis der Eignung von Komponenten bei niedrigen Temperaturen sowie die Kaltstartfähigkeit zwingend erforderlich. In diesem Vorhaben werden kaltstartrelevante Material- und Prüfparameter identifiziert und über Materialanpassungen und Optimierung der Betriebsstrategien eine ausreichende Robustheit und Kaltstartresilienz erreicht. Als Ergebnis werden für die Anwender und Zulieferer im Bereich KMU Design Regeln für die Auslegung von Komponenten und die optimale Anpassungen von Randparametern entwickelt, mit deren Hilfe PEM-BZ nach den Vorgaben kaltstartfähig sind und wiederholte Frost-/ Kaltstartzyklen ohne gravierende Schäden überstehen. Als Ergebnis können KMUs geeignete Materialkombinationen und Prozessbedingungen auswählen, die für den Einsatz bei tiefen Temperaturen besonders geeignet sind und zu einer Erhöhung der Lebensdauer führen. Damit können Ausfälle einzelner Zellen vermieden und Frostschäden an mobilen und stationären Systemen gezielt verhindert werden. Die höheren Ansprüche an die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von BZ-Stapeln gerade im Nutzfahrzeugbereich können so erfüllt und Kosten reduziert werden.

Förderhinweis

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wird / wurde über den Projektträger AiF (bis 2023) bzw. DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.