Ausgangslage:
Um den für die klimaneutrale Transformation von Industrie und Verkehr benötigten Wasserstoff wirtschaftlich und in ausreichender Menge herstellen zu können sind Elektrolysezellen mit einer hohen Effizienz und Lebensdauer notwendig. Zellen auf Basis von Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) werden für diese Aufgabe aufgrund des guten Lastwechselverhaltens und der großen Stromdichte als besonders geeignet angesehen. Die Medienversorgung in der Zelle wird durch die Bipolarplatte (BPP) und die poröse Transportschicht (PTL) ermöglicht, welche die BPP mit der Membran verbindet. Aufgrund der Schichtaufbaus dieser Zellbauteile aus mehreren Komponenten ergeben sich Beschränkungen bezüglich der Optimierung von thermischer und elektrischer Kontaktierung, des Stofftransportes und der nachhaltigen Fertigung. Um die Effizienz und Lebensdauer der Zellen zu steigern und den Montageaufwand zu reduzieren, werden im Vorhaben verschiedene Strukturdesigns für die angestrebte Anwendung entwickelt. Darüber hinaus sind Untersuchungen zur Entpulverung der entwickelten Strukturen vorgesehen, um die derzeit in der additiven Fertigung bestehenden Hürden bei Herstellung und Nachbehandlung, insbesondere beim Entpulvern, zu überwinden.
Ziele:
Das Gesamtziel des Vorhabens eine Steigerung der Zelleffizienz und Lebensdauer von Elektrolysezellsystemen durch den Einsatz der Additiven Fertigung, welche die konsequent funktionsoptimierte Auslegung und Fertigung zentraler Zellkomponenten ermöglicht. Ein großes Potenzial liegt dabei in der Designoptimierung der Komponenten Bipolarplatte (BPP) und poröse Transportschicht (PTL). Diese sollen als integriertes, vollmetallisches Bauteil hergestellt werden. So kann sehr gezielt die Ursache der effizienz- und lebensdauerbegrenzenden Effekte (z.B. Kontaktwiderstände innerhalb der Zelle) des aktuellen Komponentenaufbaus eliminiert und die Montage einer Zelle signifikant vereinfacht werden. Die bestehende Lieferkette umfasst zudem aktuell zahlreiche Hersteller und Zulieferer einzelner Komponenten. Durch die Integration der verschiedenen Zellbauteile in eine optimierte Gesamtkonstruktion lässt sich die Lieferkette deutlich vereinfachen und verkürzen. Im Weiteren ist der verfolgte Lösungsansatz langfristig auch auf anderen galvanischen Zellen (z.B. Brennstoffzellen) anwendbar, wodurch auch diese bzgl. Effizienz und Lebensdauer sowie Montageaufwand gleichermaßen profitieren.
Ablauf:
Im geplanten Vorhaben wird ein ganzheitlicher Ansatz verfolgt, um basierend auf dem grundlegenden Funktionsnachweis der neu entwickelten Zellkomponenten den Test eines vollständigen Elektrolysesystems in einer relevanten Umgebung zu ermöglichen. Hierfür werden in AP1 (=Arbeitspaket 1) die Anforderungen an die Bauteile und die Fertigungsprozesse in einem Lastenheft definiert. Anschließend beginnt der iterative Entwicklungszyklus: Angelehnt daran wird in AP3 und AP4 der Fertigungsprozess sowie die notwendigen Nachbehandlungsprozesse entwickelt und an den entworfenen Komponenten erprobt. In AP5 werden die gefertigten Komponenten erprobt und analysiert, was als Input für eine weitere Iterationsschleife dient. Am Ende dieses Prozesses steht das optimierte Design des AM gefertigten Systems sowie die dafür notwendigen Prozesse. In AP6 findet abschließend die Fertigung und Charakterisierung eines Demonstrators im industrierelevanten Maßstab statt.
