Lebensdauer von Brennstoffzellen erhöhen

PRESSEINFORMATION
12. Juni 2024 || Seite 2 | 3
F R A U N H O F E R -I N S T I T U T F ÜR B E TR I EB S F E S TI G K EI T U N D S Y S T E M Z UV E R L Ä S SI G K EI T L B F
Erfassung der zeitabhängigen Wasseraufnahme, thermischer und hygrischer
Längenausdehnungskoeffizienten unter besonderer Berücksichtigung der vorherigen
Konditionierung sowie der zeitabhängigen viskoelastischen Materialeigenschaften mit
Relaxations-, Retardations- oder Kriechexperimenten jeweils als Funktion von Feuchte
und Temperatur im prozessrelevanten Bereich.
Mehr Akzeptanz und Einsatz von FEM-Simulationen durch KMU
Durch das Projekt sollen Finite Elemente Simulationen für Materialauswahl, Auslegung
und Lebensdauervorhersage zugänglich gemacht werden. Die Darmstädter
Forschenden werden ein Konzept für KMU zur anwendungsspezifischen Auswahl von
Materialmodellen, für notwendige Messverfahren zur Kennwertbestimmung und zu
Vorschriften zur Parametrisierung der Modelle bereitstellen. Hersteller von PEM, Stacks,
Brennstoffzellen etc. sowie Simulations- und Messdienstleister können profitieren. Die
Ergebnisse können auch in vorhandene Prüfnormen einfließen. Dabei wird das
gesellschaftliche Ziel, die Verbesserung der Ressourceneffizienz durch
Effizienzsteigerungen von Brennstoffzellen und der Elektrolyse zur Herstellung von
Wasserstoff als Beitrag zur Lösung der Energiekrise, unterstützt.
Materialeigenschaften können mit Hilfe von Sorptionsmessungen bestimmt werden. Diese und
Ergebnisse aus weiteren Analysen verwenden die Forschenden als Grundlage für Modell-
Erstellungen und Simulationen.
Foto: Fraunhofer LBF

Forschungsprojekt zur Modellierung des Materialverhaltens von PEM gestartet.

In Brennstoffzellen und Elektrolyseuren kommen Polyelektrolytmembranen (PEM) zum Einsatz, die deren Haltbarkeit maßgeblich beeinflussen. Die Modellierung des Materialverhaltens der PEM unter thermischen und hygrischen Lasten kann einen Beitrag zur Erhöhung der Lebensdauer von Brennstoffzellen leisten. In dem neuen Forschungsprojekt »PEMPAR« entwickeln Forschende am Fraunhofer LBF eine Messmethodik für die Parametrisierung von Modellen zur Simulation der Temperatur- und Feuchtewirkung sowie der mechanischen Belastungen von PEM. Die Test- und Prüfzeiten von PEM, Brennstoffzellen und Elektrolyseuren können damit reduziert werden.

Die Nutzung von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren wird durch die Wasserstoffinitiative der Bundesregierung beflügelt und setzt gleichzeitig Hersteller unter Druck, neue und haltbarere PEM zu entwickeln, damit deren im Verkehr und in Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerken erforderliche Lebensdauer gewährleistet werden kann. Das drohende Aus für PFAS, die derzeit noch in Brennstoffzellenmembranen benötigt werden, spielt dabei ebenfalls eine Rolle. Die hierfür notwendigen Prüfungen erfordern zeit- und kostenaufwändige Feldversuche sowie ergänzende Simulationen.

Optimierung der PEM unter Einbeziehung von FEM-Simulationen

Das neu gestartete Forschungsvorhaben »Erfassung und Parametrisierung des zeitabhängigen Materialverhaltens von Polyelektrolytmembranen unter hygrothermischen Lasten – PEMPAR« wird durch das BMWK aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert und läuft 24 Monate. Die Ergebnisse sollen die Optimierung der Auslegung unterstützen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF sind Experten in der Erzeugung von Materialdaten für die Modellerstellung und Simulation. Schwerpunkte der experimentellen Projektbearbeitung sind daher die Erfassung der zeitabhängigen Wasseraufnahme, thermischer und hygrischer Längenausdehnungskoeffizienten unter besonderer Berücksichtigung der vorherigen Konditionierung sowie der zeitabhängigen viskoelastischen Materialeigenschaften mit Relaxations-, Retardations- oder Kriechexperimenten jeweils als Funktion von Feuchte und Temperatur im prozessrelevanten Bereich.

Mehr Akzeptanz und Einsatz von FEM-Simulationen durch KMU

Durch das Projekt sollen Finite Elemente Simulationen für Materialauswahl, Auslegung und Lebensdauervorhersage zugänglich gemacht werden. Die Darmstädter Forschenden werden ein Konzept für KMU zur anwendungsspezifischen Auswahl von Materialmodellen, für notwendige Messverfahren zur Kennwertbestimmung und zu Vorschriften zur Parametrisierung der Modelle bereitstellen. Hersteller von PEM, Stacks, Brennstoffzellen etc. sowie Simulations- und Messdienstleister können profitieren. Die Ergebnisse können auch in vorhandene Prüfnormen einfließen. Dabei wird das gesellschaftliche Ziel, die Verbesserung der Ressourceneffizienz durch Effizienzsteigerungen von Brennstoffzellen und der Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff als Beitrag zur Lösung der Energiekrise, unterstützt.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Robert Brüll, robert.bruell@lbf.fraunhofer.de

https://www.lbf.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/brennstoffzellen-lebensdauer-modellierung-materialverhalten-pem.html

https://www.lbf.fraunhofer.de/content/dam/lbf/de/documents/presse/Brennstoffzellen_PEM_Lebensdauer_erh%C3%B6hen.pdf

Media Contact

Anke Zeidler-Finsel Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

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Die Materialwissenschaft bezeichnet eine Wissenschaft, die sich mit der Erforschung – d. h. der Entwicklung, der Herstellung und Verarbeitung – von Materialien und Werkstoffen beschäftigt. Biologische oder medizinische Facetten gewinnen in der modernen Ausrichtung zunehmend an Gewicht.

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