Prozesse in der Brennstoffzelle realitätsnah abbilden
In der Mobilität ändert sich das Antriebskonzept von konventionellem Verbrennungsmotor hin zu emissionsfreien, elektrischen Antrieben. Ob Auto, Bus, LKW, Zug, Schiff oder Flugzeug, betroffen sind alle Verkehrsträger sowie der Individualverkehr, ÖPNV und der Lastverkehr. Eine zukünftig bedeutende Antriebsform wird die Brennstoffzelle sein. Insbesondere die Vorteile der kurzen Tankzeiten und der hohen Energiespeicherdichte, welche zu langen Reichweiten führen, werden sich für Langstreckenfahrzeuge, Busse oder LKW durchsetzen.
Mit dem Daimler GLC, dem Toyota Mirai, Hyundai-Fahrzeugen ix35-fcell und NEXO sowie dem Honda Clarity sind bereits erste Kleinstserienfahrzeuge auf dem Markt. Alstom hat den ersten Brennstoffzellen-Zug in Deutschland in Betrieb gebracht. Nikola und Hyundai kündigen kurzfristig Brennstoffzellen-LKW in der Schweiz an. Daimler, Solaris, Van Hool und Wright entwickeln Brennstoffzellen-Busse.
Eine fortwährende Weiterentwicklung neuer Materialien und Fabrikationsprozesse der Brennstoffzelle erhöhen sukzessive deren Leistungsdichten. Daraus resultieren auch neue Herausforderungen für den Betrieb der Brennstoffzellensysteme wie dem Wasser- und Wärmemanagement.
Umfassende Analysen bezüglich der Eigenschaften neuer Materialien und deren Kompatibilität in den Schichtaufbau der Membran-Elektrodeneinheit sind essentiell und bedürfen der stetigen Verbesserung komplexer Transport- und Reaktionsmodelle. Durch die Reduktion von kostenintensiven Materialien wie den Edelmetallkatalysatoren in der Elektrode oder der protonenleitenden Elektrolytmembran, werden die daraus aufgebauten Schichten dünner und deren gegenseitige Wechselwirkung hinsichtlich der in der Brennstoffzelle stattfindenden Prozesse sensitiver. Grenzflächeneffekte spielen bei den Transporteigenschaften der neuen Materialien immer mehr eine zentrale Rolle.
Im Projekt „FC-CAT FUEL CELL CFD AND THROUGH-PLANE MODELLING" unter Koordination des Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE analysieren und beschreiben die Wissenschaftler die funktionalen Schichten der Brennstoffzelle mit neuen Materialien durch experimentelle Charakterisierung und theoretische Arbeiten. Ein Schwerpunkt besteht in der Entwicklung zeitabhängiger Modelle zur Beschreibung von räumlich dynamischen Vorgängen, welche zur Analyse von lokal gemessenen Impedanzspektren herangezogen werden können. Die Forschenden erweitern ein bestehendes stationäres 3D-Modell für eine verbesserte realitätsnahe Abbildung der Elektrodenprozesse.
Das Projekt hat außerdem die Unterstützung der Brennstoffzellen-Industrie zum Ziel, indem eine zuverlässige und umfangreiche Basis zur (Strömungs-)Modellierung von Brennstoffzellen entwickelt und der Fachwelt zur Verfügung gestellt wird. Dadurch soll die internationale Wettbewerbsfähigkeit insbesondere der deutschen Zulieferindustrie gestärkt werden.
Die langjährige kanadisch-deutsche Kooperation zur Brennstoffzellenforschung wird fortgesetzt. Das Forschungsprojekt baut auf den Ergebnissen und den Analysen zu leistungsbestimmenden Effekten der PEM-Brennstoffzelle auf, die seit 2009 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert werden. Mit den Vorhaben PEM-CaD, GECKO und DEKADE ist eine zehnjährige Zusammenarbeit mit der kanadischen Brennstoffzellen-Wissenschaft begründet worden. Kanada ist eines der in Bezug auf die PEM-Brennstoffzellenforschung führenden Länder und beheimatet mehrere Spitzenunternehmen der Brennstoffzellen-Industrie.
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