PEMPAR - Lebensdauer von Brennstoffzellen erhöhen, Testzeiten verkürzen

Der zuverlässige Einsatz von Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen und in stationären Kraftwerken einerseits sowie Elektrolyseure für die Herstellung von Wasserstoff aus elektrischem Strom andererseits, sind Grundpfeiler für die zukünftige, nachhaltige Energiewirtschaft. In beiden Systemen kommen Polyelektrolytmembranen (PEM) zum Einsatz, deren Haltbarkeit maßgeblich die Lebensdauer von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren beeinflusst. Die Modellierung des Materialverhaltens der PEM unter thermischen und hygrischen Lasten leistet einen Beitrag zur Erhöhung der Lebensdauer von Brennstoffzellen. Im Forschungsprojekt »PEMPAR« entwickeln wir eine Messmethodik für die Parametrisierung von Modellen zur Simulation der Temperatur- und Feuchtewirkung sowie der mechanischen Belastungen von PEM. Die Datenlücken hinsichtlich des Materialverhaltens und fehlender Prüfvorschriften schließen sich und die Test- und Prüfzeiten von PEM, Brennstoffzellen und Elektrolyseuren reduzieren sich.

Die Simulation des Materialverhaltens der PEM unter thermischen und hygrischen Belastungen hilft, kritische Lastzustände zu vermeiden, die Lebensdauer zu erhöhen und Materialentwicklern digitale Werkzeuge für eine effiziente Optimierung ihrer Produkte bereitzustellen.

Die Wasserstoffinitiative der Bundesregierung fördert den Einsatz von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren und zwingt Hersteller zur Entwicklung langlebigerer PEM, um die erforderliche Lebensdauer im Verkehr und in Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerken zu sichern. Das drohende Verbot von PFAS, das derzeit in vielen Brennstoffzellenmembranen verwendet werden, spielt ebenfalls eine Rolle. Die erforderlichen Prüfungen sind zeit- und kostenintensiv und erfordern Feldversuche sowie Simulationen.

Erfassung und Parametrisierung zeitabhängigen Materialverhaltens von Polyelektrolytmembranen

Das Forschungsprojekt „PEMPAR“ zur Erfassung und Parametrisierung des zeitabhängigen Materialverhaltens von Polyelektrolytmembranen unter hygrothermischen soll helfen, die Auslegung von Polyelektrolytmembranen zu erleichtern. Wir sind auf die Entwicklung von Materialmodellen und die Erstellung von Materialdaten zur Parametrisierung dieser Modelle spezialisiert. Schwerpunkte sind die zeitabhängige Wasseraufnahme, thermische und hygrische Längenausdehnungskoeffizienten sowie viskoelastische Materialeigenschaften unter Berücksichtigung des Kriechverhaltens unter verschiedenen Feuchtigkeits- und Temperaturbedingungen.

Materialeigenschaften können mit Hilfe von Sorptionsmessungen bestimmt werden. Diese und Ergebnisse aus weiteren Analysen verwenden die Forschenden als Grundlage für Modell-Erstellungen und Simulationen.

Konzept für spezifische Auswahl von Materialmodellen, Messverfahren zur Kennwertbestimmung und Parametrisierungsrichtlinien

Projektziel ist es, kmU den Zugang zu Finite Elemente Simulationen für Materialauswahl, Auslegung und Lebensdauervorhersage zu erleichtern. Wir entwickeln ein Konzept für die spezifische Auswahl von Materialmodellen, Messverfahren zur Kennwertbestimmung und Parametrisierungsrichtlinien. Hersteller von PEM, Stacks und Brennstoffzellen sowie Simulations- und Messdienstleister profitieren davon. Die Ergebnisse fließen in neue Prüfnormen ein und die Ressourceneffizienz von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren zur Wasserstofferzeugung verbessert sich.werden.