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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen

PEFC Stack der kW-Klasse mit metallischen BipolarplattenBild 1: PEFC Stack der kW-Klasse mit metallischen Bipolarplatten

Brennstoffzellen sind ein wichtiger Bestandteil der Speicherung und Wandlung im Rahmen der erneuerbaren Energien. Sie haben das Potenzial, sowohl die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen als auch Schadstoffbelastung der Luft zu verringern und vermindern somit die Auswirkungen des Klimawandels. Damit Brennstoffzellen mit anderen Technologien konkurrieren können, müssen sie mit modernsten Werkzeugen auf höchstmögliche Standards ausgelegt werden. Dazu gehören Analyse, Durchführung von physikalischen Experimenten sowie die Entwicklung und Anwendung von fortgeschrittenen mathematischen Modellen.

Es gibt eine Reihe von verschiedenen Brennstoffzellentypen zu welchen sowohl die  Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (HT-PEFC) als auch Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEFCs) zählen.

Die HT-PEFC zeichnet sich durch eine Betriebstemperatur von 160 ° C - 180 ° C aus. Die hieraus folgende CO-Toleranz ist wesentlich größer als bei Niedertemperatur-PEFCs, die im Temperaturbereich bis zu 90 ° C arbeiten. Darüber hinaus entfällt das aufwendige Wassermanagement. Die HT-PEFC eignet sich in hervorragender Weise für den Betrieb mit wasserstoffreichen Gasgemischen aus dem Reformierungsprozess. Dies hat vor allem im Bereich der mobilen und der stationären Anwendung große Bedeutung, wo Mitteldestillate (wie Kerosin, Diesel, Heizöl) für die Bereitstellung des notwendigen Wasserstoffes herangezogen werden können.

Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen eignen sich besonders wenn reiner Wasserstoff, beispielsweise in Druckgastanks von Brennstoffzellen-PKWs, verfügbar ist. Ein Hauptvorteil einer PEFC ist die Kaltstartfähigkeit gegenüber einer HT-PEFC. Aufgrund ihrer niedrigeren Betriebstemperatur sind sie jedoch anfälliger für Vergiftungen des Katalysators und das Wassermanagement in Zellen und Stacks ist erschwert.

Unsere Forschungsarbeiten reichen von der elektrochemischen Elektrodencharakterisierung bis hin zum Design und Bau von Brennstoffzellenstacks. Zusätzlich werden in enger Abstimmung mit den experimentellen Arbeiten mathematische Modelle entwickelt, um wesentliche Effekte in den Brennstoffzellenkomponenten beschreiben zu können. Darüber hinaus wird die Auslegung von Zellen und Stacks durch Simulationsrechnungen unterstützt.

Bild 1 zeigt einen PEFC-Stack im Kilowatt-Leistungsbereich.

Forschungsschwerpunkte

Modellierung und Simulation

Modellierung und Simulation
• Experimentelle Charakterisierung der Strömungsverhältnisse in Kanälen und porösen Strukturen
• Simulation des Stofftransportes in porösen Materialien mit Lattice Boltzmann
• Zellsimulationen mit Computational Fluid Dynamics (CFD)

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Technologieentwicklung

Technologieentwicklung

• HT-PEFC Stackentwicklung
• Stacksimulationen mit CFD
• Graphitische Bipolarplatten
• Metallische Bipolarplatten
• Korrosionsschutzschichten

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Technologieentwicklung

Stack Betriebsstrategie

• Thermisches Management
• Strömungsführung in Stacks

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Zellkomponenten

Zellkomponenten
• Korrosionsuntersuchungen an Bipolarplatten
• GDL Strukturaufklärung
• Phosphorsäure-Verteilung und -Dynamik in HT-PEFC MEAs
• Membran und Elektroden Struktureigenschaften in HT-PEFC MEAs

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Technologieentwicklung

Angewandte Elektrochemie

• Charakterisierung von Brennstoffzellen
• Korrosionsuntersuchungen an Bipolarplatten
• Modellentwicklung zur Beschreibung von Einflussgrößen auf die Polarisationskurven

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Projekte

Memphys
BePPel
PRECORS
JARA
Externer Link 4m-centre (Öffnet neues Fenster)
Externer Link ieafuelcell (Öffnet neues Fenster)
Externer Link jcns (Öffnet neues Fenster)

Team Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen

Team NiedertemperaturelektrolyseCopyright: IEK-3, Forschungszentrum Jülich


von rechts nach links: Prof. Dr. Werner Lehnert (Abteilungsleitung), Prof. Dr. Steven Beale (Computational Fluid Dynamics), Dr. Uwe Reimer (Gruppenleiter Modellierung), Dieter Froning, Mian Bilal Hussain, Philipp Irmscher, Junliang Yu, Dr. Vitali Weißbecker, Yu Lin, Birgit Schumacher, Yun Cai, Niklas Adams, Yasser Rahim, Wei Zou, Eugen Hoppe, Shidong Zhang, Niklas Selke, Dr. Diankai Qiu, Ruiyu Li, Shuai Liu, Max Harraß, Laura Hofer, Prof. Martin Andersson (auch: Lund University, Sweden / Computational Fluid Dynamics), Dr. Holger Janßen (Gruppenleiter Stacktechnik)

Zusatzinformationen

Ansprechpartner

Prof. Dr. Werner Lehnert
Telefon: +49 2461 61-3915
E-Mail: w.lehnert@fz-juelich.de

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