Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

EU-Projekt zur Optimierung der Lebensdauer von Brennstoffzellen

05.06.2008
"Mein Motor braucht nur Luft und Wasserstoff." Mit dieser Aufschrift könnten sich bald viele Fahrzeuge schmücken, aus deren Auspuff weder schädliche Gase noch Rußpartikel kommen, denn Energie aus wasserstoffgespeisten Brennstoffzellen zu gewinnen, ist keine weltfremde Träumerei.

Mehrere solcher neuartigen Automotoren stehen kurz vor der Marktreife. Sorge bereitet den Entwicklern derzeit vor allem das "Abfallprodukt" Wasser. Mittels Experimenten und Computersimulationen wird in einem europaweiten Projekt untersucht, wie verhindert werden kann, dass flüssiges Wasser dünne Materialschichten in Brennstoffzellen beschädigt und so ihre Lebensdauer verkürzt. An der Universität Erlangen-Nürnberg beteiligen sich zwei Lehrstühle und das Regionale Rechenzentrum Erlangen (RRZE) an den Forschungen, für die ein Budget von insgesamt 5,6 Millionen Euro bereitgestellt ist.

Mit einer Fördersumme von 3,7 Millionen unterstützt die Europäische Union das Großprojekt mit der Abkürzung DECODE. Für die Erlanger Projekte sind 560.000 Euro vorgesehen, von denen die EU drei Viertel trägt. Der Lehrstuhl für Informatik 10 von Prof. Dr. Ulrich Rüde, der Lehrstuhl für Theoretische Physik I von Prof. Dr. Klaus Mecke und das RRZE kooperieren in diesem Projekt mit der Chalmers University in Göteborg, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. sowie drei weiteren Forschungsinstituten und fünf Industriepartnern aus Deutschland, Schweden, Frankreich, Italien und den Niederlanden. Im Frühjahr 2011 sollen die Forschungen abgeschlossen sein.

Umleitung für Elektronen
Brennstoffzellen, die ursprünglich in den Apollo- und Space-Shuttle-Programmen für die Raumfahrt entwickelt wurden, wandeln mit einem hohen Wirkungsgrad chemische in elektrische Energie um. Inzwischen existieren unterschiedliche Arten, die auf verschiedenen Reaktionen basieren. Die bekannteste ist die Proton-Exchange-Membrane(PEM)-Brennstoffzelle, die mit Wasserstoff und Sauerstoff arbeitet.
... mehr zu:
»Brennstoffzelle »DECODE

Eine PEM-Brennstoffzelle besteht aus mehreren Schichten. An zentrale Stelle steht eine Membran, die lediglich für Protonen und ihre positive Ladung "durchlässig" ist, jedoch nicht für Elektronen. Auf jeder Seite der Membran liegt eine Elektrode. Eine Metallplatte mit eingearbeiteten Kanälen leitet das Gas dorthin. Wenn nun Wasserstoff auf der Anoden-Seite einströmt, können nur die Protonen des Gases die Membran passieren, die Elektronen jedoch werden aufgehalten. Sie müssen den Umweg über die Elektroden nehmen, passieren eine zwischengeschaltete Verbrauchsstation - beispielsweise einen Elektromotor -und geben dabei Energie ab. Auf der anderen Seite, der Kathode, kombinieren sie mit dem Sauerstoff der einströmenden Luft und den diffundierten Protonen zu Wasser. Da Wasserstoff leicht zu gewinnen ist und Wasser als einziges Endprodukt entsteht, sind Brennstoffzellen umweltfreundliche Energieerzeuger.

Notwendige Feuchtigkeit und überflüssiges Wasser
Das Projekt DECODE (engl. Akronym für "Untersuchung von Degenerationsmechanismen zur Verbesserung von Komponenten und Design von PE-Brennstoffzellen") befasst sich mit Polymer-Elektrolyt(PE)-Brennstoffzellen. Deren Betriebs­temperatur liegt im Bereich um die 60-80°C, womit sie in die Kategorie der Niedrigtemperaturbrennstoffzellen fallen. Außer in vielerlei anderen Einsatzgebieten sind sie deshalb auch für die Automobilindustrie interessant. Viele der wichtigsten Hindernisse wurden mittlerweile von Automobil-Firmen wie Opel, Volvo und Mercedes überwunden: der Kaltstart zu Beginn der Fahrt, wenn die Brennstoffzelle noch nicht auf Arbeits­temperatur ist; eine höhere Leistung durch Aneinanderreihen mehrerer Zellen und die Wasserstoffaufbewahrung in speziellen Hochdrucktanks. Die Lebensdauer bleibt aber bisher ein Problembereich.

Die Effizienz und elektrische Leistung der Brennstoffzelle hängt stark davon ab, ob die chemischen Reaktionen ungehindert und optimal ablaufen können. Dafür sorgen Katalysatorschichten und Beschichtungen des porösen Materials der Elektrode. Eine gewisse Feuchtigkeit muss zwar in der Kathode vorherrschen, doch flüssiges Wasser kann die Beschichtungen über eine Vielzahl von mechanischen und chemischen Prozessen abtragen und zerstören. Auf lange Frist beeinträchtigt das die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle. Im Projekt DECODE soll das Verhalten des Wassers und seine Auswirkung auf die Lebensdauer der Materialien bestimmt werden.

Aufgabe der beiden Lehrstühle der Universität Erlangen-Nürnberg im Projekt ist es, das Verhalten des Wassers in der porösen Gasdiffusionsschicht der Elektrode auf dem Computer zu simulieren und die Reaktion auf gealterte Materialien zu untersuchen. Dabei werden zwei verschiedene Verfahren angewandt: Die Informatik simuliert mittels der Lattice-Boltzmann-Methode die grobporigere Schicht mit Poren im Mikrometerbereich (ein millionstel Meter); die Theoretische Physik wendet Methoden der Molekulardynamik in der feinporigeren Schicht an, deren Poren im 100-Nanometer-Bereich (100 milliardstel Meter) liegen.

Supercomputer bis zur Grenze gefordert
Für diese Simulationen fallen riesige Datenmengen im 10-Terabyte-Bereich an (ein Terabyte sind ca 1.000 Gigabyte), die gleichzeitig im Speicher des Computers gehalten werden müssen. Solch immens große Simulationen sind nur mit modernsten Supercomputern möglich, wie etwa dem leistungsfähigsten deutschen Rechner HLRB2 am Leibniz-Rechenzentrum in Garching. Er kann 62 Billionen Rechenoperationen pro Sekunde ausführen und hat 39 Terabyte Hauptspeicher, das ist ungefähr 20.000 Mal so viel wie ein handelsüblicher PC. Der Rechner, der mit diesen Leistungen auf Platz 15 der 500 schnellsten Computer weltweit liegt, ist gerade ausreichend für diese Simulationen.

Mit den Ergebnissen der Simulationen sollen die Industriepartner Methoden entwickeln kön-nen, die Eigenschaften und damit die Lebensdauer der Materialien zu verbessern. Die EU fördert DECODE innerhalb des Sektors "Energie" im Rahmen-Förderungsprogramm FP7. Diesem Sektor wurde ein Gesamt-Budget von 2,3 Milliarden Euro zur Verfügung gestellt. Damit sollen wissenschaftliche Grundlagen dafür geschaffen werden, Energiekosten einzusparen und den Klimawandel abzuschwächen.

Die Universität Erlangen-Nürnberg, gegründet 1743, ist mit 26.000 Studierenden, 550 Professorinnen und Professoren sowie 2000 wissenschaftlichen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern die größte Universität in Nordbayern. Schwerpunkte in Forschung und Lehre liegen an den Schnittstellen von Naturwissenschaften, Technik und Medizin in engem Dialog mit Jura und Theologie sowie den Geistes-, Sozial- und Wirtschaftswissenschaften. Seit Mai 2008 trägt die Universität das Siegel "familiengerechte Hochschule".

Ute Missel | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-erlangen.de/

Weitere Berichte zu: Brennstoffzelle DECODE

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Mit unkonfektionierten Kabeln durch die Schaltschrankwand
26.06.2017 | PHOENIX CONTACT GmbH & Co.KG

nachricht Gehäuse für schwere Steckverbinder in platzsparender Ausführung
26.06.2017 | PHOENIX CONTACT GmbH & Co.KG

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Das Auto lernt vorauszudenken

Ein neues Christian Doppler Labor an der TU Wien beschäftigt sich mit der Regelung und Überwachung von Antriebssystemen – mit Unterstützung des Wissenschaftsministeriums und von AVL List.

Wer ein Auto fährt, trifft ständig Entscheidungen: Man gibt Gas, bremst und dreht am Lenkrad. Doch zusätzlich muss auch das Fahrzeug selbst ununterbrochen...

Im Focus: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu aktuellen Fragen der Stammzellforschung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Fraunhofer FKIE ist Gastgeber für internationale Experten Digitaler Mensch-Modelle

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Umfangreiche Fördermaßnahmen für Forschung an Chromatin, Nebenniere und Krebstherapie

28.06.2017 | Förderungen Preise

Immunabwehr: Wie Proteine Membranbläschen zusammenbringen

28.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Das Auto lernt vorauszudenken

28.06.2017 | Maschinenbau