DWV-Innovationspreis 2017 Entwicklungen im Bereich Wasserstoff und Brennstoffzellen

Wasserstoff-Brennstoffzelle in einem Labor.
Wasserstoff-Brennstoffzelle in einem Labor.

Der Deutsche Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband verleiht den Innovationspreis 2017 an drei Wissenschaftler für Ihre Abschlussarbeiten auf dem Gebiet Wasserstoff und Brennstoffzellen – Herstellung von Elektrolyten, Potenzial der Abwärme und Membranbeschichtung.

Der Deutsche Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband (DWV) zeichnet drei junge Wissenschaftler aus, die in ihren Abschlussarbeiten besondere Leistungen erbracht haben. Der Verband verleiht den Innovationspreis jährlich an die vielversprechendsten Arbeiten auf dem Gebiet Wasserstoff und Brennstoffzellen. Der Preis wird jeweils für die beste Doktor-, Master- und Bachelor-Arbeit vergeben und ist mit jeweils 1000 € dotiert. Die Preisverleihung findet am 30. Mai 2018 in Salzgitter statt – im Rahmen der Mitgliederversammlung des DWV.

Herstellung von Elektrolyten

Dr. Matthias Breitwieser entwickelte an der Universität Freiburg ein neues Verfahren für die Herstellung von Elektrolyten für Brennstoffzellen oder PEM-Elektrolyseuren. Kerninnovation des Verfahrens ist der Verzicht auf die in Membran-Elektroden-Einheiten typischerweise verwendete Membranfolie. Stattdessen wird das Membranpolymer in flüssiger Form direkt auf die Elektroden der Brennstoffzelle aufgetragen. Das kann durch schnelle und skalierbare Verfahren wie lnkjet-Druck oder Sprühbeschichtung erfolgen. Das Verfahren wurde als direkte Membrandeposition (DMD) in die Fachliteratur eingeführt.

Die Weiterentwicklung der DMD-Technik von einer einfachen, Inkjet-gedruckten lonomermembran zu einer Mehrkomponenten-Kompositmembran, erfüllt die heutigen Stabilitäts- und Leistungsanforderungen für Einzel-Brennstoffzellentests. Dabei wurde eine hohe Platineffizienz erreicht – mit einer Pt-Beladung von lediglich 29 µg/cm2 konnte eine kathodische Platineffizienz von über 88 kW/g Platin erzielt werden. Das übersteigt den bisherigen Höchstwert von 70 kW/g Platin um mehr als 20 Prozent.

Im Rahmen der Arbeit wurde der Herstellungsprozess so weit entwickelt, dass selbst komplexe Kompositmembranen nun additiv produziert werden können: Durch die Kombination von Elektro-Spinning und Inkjet-Druck konnte eine direkt deponierte Kompositmembran hergestellt werden, die die nötige Leistungsdichte und Haltbarkeit auch unter anspruchsvollen Automotive-Anwendungen erfüllt.

So konnte ein neuer Herstellungspfad für die Produktion von Kompositmembranen aufgezeigt werden. Basierend auf der Technik konnten bereits mehrere Forschungsprojekte mit Industriepartnern und anderen Forschungsinstituten ins Leben gerufen werden, was die hohe Relevanz der Entwicklung unterstreicht.

Potenzial der Abwärme

Am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg untersuchte Marius Holst das Abwärmenutzungspotenzial von Power-to-Hydrogen-Anlagen.

Zu einer Power-to-Hydrogen-Anlage gehört stets ein Elektrolyseur, der Abwärme erzeugt. Deren Nutzung ist aber wegen des niedrigen Temperaturniveaus nicht trivial und auch in der Fachliteratur kaum untersucht worden.

In der Abschlussarbeit werden unterschiedliche Konzepte aufgezeigt, wie die Abwärmenutzung von Elektrolyseanlagen realisiert und in den Wärmesektor integriert werden kann. Es wurden sowohl Konzepte zur internen Verwendung der Wärmeenergie als auch zur externen Auskopplung in Wärmenetze zur Beheizung von Wohngebäuden erarbeitet. Mittels der Verwendung des erzeugten Wasserstoffs im Mobilitätssektor kommt man auch noch zu einer umfassenden Kopplung der Sektoren Strom, Wärme und Verkehr.

Membranbeschichtung

Im Rahmen eines berufsbegleitenden Maschinenbaustudiums an der Fachhochschule Südwestfalen in Kooperation mit der Technischen Akademie Esslingen (TAE) untersuchte Karsten Maybee konventionelle Verfahren für die Beschichtung von Membranen.

Die erste technisch eingesetzte Brennstoffzelle war die mit einem flüssigen alkalischen Elektrolyten. Anschließend wurde die PEM-Zelle vermehrt eingesetzt, die einen Elektrolyten in Form einer Polymerfolie verwendet. Mittlerweile sind auch alkalische Brennstoffzellen im Einsatz, in denen statt eines flüssigen Elektrolyten eine anionenleitende Polymermembran eingesetzt wird. Damit wurden die Vorteile einer alkalischen Brennstoffzelle mit den technischen Vorteilen der Membrantechnik kombiniert. Die Membranen müssen für den Einsatz in einer anionenleitenden Polymermembranbrennstoffzelle (AEM-FC) optimiert und anschließend zu einer Membranelektrodeneinheit (MEA) für den Einsatz in Brennstoffzellen zusammengefügt werden.

Die Abschlussarbeit untersuchte die Möglichkeit, den als »Decal-Verfahren« bekannten Beschichtungsprozess einzusetzen – bislang waren weder praktische Erfahrungen noch entsprechende Literatur vorhanden. So musste zunächst geprüft werden, ob sich das Verfahren grundsätzlich zur Beschichtung anionenleitender Membranen eignet. Weiterhin fehlten auch verschiedenste Prozessparameter, wie beispielsweise Druck und Temperatur, welche für eine Auslegung der einzelnen Maschinenelemente erforderlich sind.

Mit den durchgeführten Beschichtungsversuchen konnte nachgewiesen werden, dass sich das »Decal-Verfahren« sehr gut für die Herstellung einer solchen Membran eignet. Die Beschichtungsvariante erzielt eine gute mechanische Anbindung an die Membran und vermeidet Deformationen der Membran während des Beschichtungsprozesses.