ZBT-Wissenschafler auf dem EFCF 2025 in Luzern

„Laser-strukturierte Titanfolien als PTL in PEM-WE-Zellen und der Einfluss der Porosität auf die Massentransporteigenschaften auf der Anodenseite“

 
Für viele von denen, die ZBT-Wissenschaftler Sebastian Hirts Vortrag beim EFCF – European Electrolyser and Fuel Cell Forum folgten, dürfte dieser Vortragstitel durchaus verständlich gewesen sein. Für alle anderen bedarf es womöglich einer Erläuterung:

 
Was ist eine PTL? Und was hat es mit den Poren in der Titanfolie auf sich?

Die Poröse Transport-Lage (PTL) ist ein zentrales Bauteil von Elektrolyseuren, vor allem in der Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse (PEMWE).

Sie erfüllt drei wichtige Aufgaben:

• Sie transportiert Wasser zur Katalysatorschicht, wo die Trennung in Protonen und Sauerstoff stattfindet.
• Sie leitet die entstehenden Gase ab.
• Sie stellt den elektrischen Kontakt zwischen Katalysator und Stromableiter her. Wichtig, denn ohne Strom kein Wasserstoff.

Die Herausforderungen in der PTL-Entwicklung sind komplex:

• Die PTL muss elektrisch leitfähig sein und eine möglichst große Kontaktfläche zur Katalysatorschicht bieten, um einen effizienten Elektronentransport zu ermöglichen.
• Gleichzeitig ist eine hohe Porosität notwendig, damit Wasser und Gase die Schicht gut durchströmen können.
• Diese beiden Anforderungen stehen oft im Widerspruch zueinander und erfordern ein ausgeklügeltes Design.

Innovatives Laserbohrverfahren

Im Projekt MetalFoil-PTL haben sich das ZBT und der Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik der Ruhr-Universität Bochum gemeinsam auf die Entwicklung eines Laserbohrverfahrens zur Strukturierung von Titanfolien fokussiert mit dem Ziel, ein kosteneffizientes PTL-Design zu ermöglichen.

Es konnte gezeigt werden, dass sich mit geringem Materialeinsatz leistungsfähige PTLs herstellen lassen. Die Laser-strukturierten Titanfolien reduzieren gezielt Massentransportverluste und sorgen gleichzeitig für eine hervorragende elektrische Anbindung der Katalysatorschicht. Ein wichtiger Fortschritt für effizientere und wirtschaftlichere PEM-Elektrolysezellen.

Nichtedelmetallkatalysatoren für die Anode in der PEM-Wasserelektrolyse

Eine der größten Herausforderungen bei der Skalierung der PEM-Wasserelektrolyse ist die starke Abhängigkeit von Iridium-basierten Katalysatoren, die knapp und daher sehr teuer sind. Übergangsmetalloxide bieten zwar eine nachhaltigere und reichlich vorhandene Alternative, doch ihre begrenzte Stabilität in sauren Umgebungen bleibt ein entscheidendes Hindernis.

ZBT-Forscher Dr. Vimanshu Chanda sprach in Luzern über Fortschritte auf diesem Gebiet: „Unsere laufenden Arbeiten untersuchen Strategien zur Überwindung dieser Herausforderungen durch die Feinabstimmung der Zusammensetzung von MnO₂ mittels strategischer Dotierung, um sowohl die Aktivität als auch die Stabilität zu verbessern – und damit die Bemühungen zur Verringerung der Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen wie Iridium zu unterstützen“, fasst Vimanshu seinen Vortrag zusammen.

Verbesserung der Lebensdauerprognose für PEM-Elektrolyseure unter realen Bedingungen

Ein zuverlässiges Verständnis der Leistungsminderung ist für den langfristigen Einsatz von Elektrolyseuren zur Erzeugung von grünem Wasserstoff unerlässlich. Aufgrund schwankender Betriebsbedingungen und langer Zeiträume ist es jedoch nach wie vor schwierig, Erkenntnisse über die Alterung unter realen Bedingungen zu gewinnen.

Auf dem EFCF stellte unser Forscher Florian Kuschel einen im Projekt Degrad-EL3 entwickelten datengestützten Ansatz zur Entwicklung „vorausschauender” Protokolle für beschleunigte Belastungstests (AST) vor.
Dieser neuartige Ansatz kombiniert physikalische Modellierung und maschinelles Lernen, um realistischere Prognosen zur Leistungsminderung für verschiedene Betriebszyklen zu ermöglichen.

Das Ziel: eine verbesserte Vorhersagegenauigkeit bei deutlich reduzierter Testzeit – ein Schritt in Richtung einer effizienteren Qualifizierung von Elektrolysetechnologien.

Abteilung Neue Materialien und Technologien

ZBT-Wissenschaftler Florian Ansorge präsentiert Forschungsergebnisse zum Projekt „H2-Fuel“

Die derzeit geltenden Grenzwerte für Verunreinigungen von Wasserstoff als Treibstoff berücksichtigen nicht die aktuellen Anforderungen von Anwenderseite. So besteht das Risiko reduzierter Laufleistungen und nicht kundengerechter Zuverlässigkeitseigenschaften von FCEV.

Ziel des Projekts H2-Fuel war es, eine Datengrundlage zur notwendigen Anpassung der ISO 14687-2 für die Wasserstoffabgabequalität an Tankstellen unter Berücksichtigung aktueller und zukünftiger Brennstoffzellenkonfigurationen sowie der Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems zu schaffen.
ZBT-Wissenschaftler Florian Ansorge präsentierte beim EFCF Ergebnisse aus unserem Anteil am Projekt auf einem Poster: Wir haben Lastprofile für PEM-Brennstoffzellen untersucht, um künftig die Auswirkungen von Wasserstoffverunreinigungen auf PEMFCs quantitativ bestimmen zu können.

Abteilung Brennstoffzellensysteme