Im Industrievorhaben EVOPLAST bündelten SKZ, ZBT Duisburg und sechs Partner ihr Know-how, um Kunststoffkomponenten systematisch auf ihre Eignung für PEM-Brennstoffzellen zu prüfen. Neuartige In-situ-Testverfahren ermitteln Emissionseffekte in Echtzeit, während Ex-situ-GC/MS-Analysen detaillierte Schadstoffprofile liefern. Auf dieser Grundlage wurden medienbeständige, hochreine und langlebige Polymere ausgewählt. Die daraus resultierenden Einsparungen bei Materialkosten und Gewicht sowie verbesserte Zuverlässigkeit tragen zur Marktreife effizienter Brennstoffzellensysteme bei. Zudem schafft das Projekt eine belastbare Datenbasis für zukünftige Forschungsvorhaben.
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Projekt EVOPLAST definiert systematisch standardisierte Bewertungsansätze für polymerbasierte Brennstoffzellenkomponenten
In der Periode Mai 2023 bis April 2025 schlossen sich das SKZ und das ZBT mit AGC Chemicals Europe, Bürkert Fluid Control Systems, ContiTech Deutschland, Mitsui Chemicals Europe sowie Treffert GmbH & Co. KG im EVOPLAST-Industrievorhaben zusammen. Gemeinsam wurden ausführliche Prüfstrukturen für polymere Bauteile in PEM-Brennstoffzellen definiert und implementiert, um unter definierten Last- und Medienbedingungen deren Beständigkeit, Materialreinheit und Langzeitverhalten systematisch zu charakterisieren und bereits in frühen Entwicklungsphasen belastbare Daten zu generieren.
Hohe Wirkungsgrade und flexible Integration erneuerbarer Energien mit Brennstoffzellen
Durch den Einsatz von Wasserstoff in PEM-Brennstoffzellen lassen sich Wirkungsgrade jenseits 60 Prozent realisieren, während nur Wasserdampf als Nebenprodukt entsteht. Diese Technologie erhöht die Systemflexibilität im Zusammenspiel mit erneuerbaren Energien und ermöglicht eine bedarfsgesteuerte Energieversorgung. Im Verkehrsbereich punkten Brennstoffzellen mit hohen Reichweiten und kurzen Betankungszeiten in Pkw, Bussen, Zügen und Schiffen. Auch im Schwerlast- und Nutzfahrzeugverkehr verbessern sie die Effizienz, und stationär liefern sie abgesicherte Strom- und Wärmeversorgung mit Stabilität.
Neuartiger In-situ-Test simuliert reale Brennstoffzellenbedingungen für Polymerqualifizierung in Echtzeit
Die neuartige In-situ-Testanordnung des ZBT erlaubt die Platzierung polymerer Proben im Anoden- oder Kathodenzulauf einer PEM-Brennstoffzelle unter geregelten Betriebsbedingungen. Freigesetzte Emissionsmoleküle gelangen unmittelbar in eine angeschlossene Sensorzelle, in der in Echtzeit Spannungseinbrüche und Leistungsverluste registriert werden. Über die dynamische Bewertung lässt sich der Einfluss chemischer Additive präzise quantifizieren. Diese Echtzeitanalyse liefert wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung von Materialrezepturen und Vorbehandlungsstrategien, um die Langzeitstabilität von PEM-Zellen zu erhöhen und Leistungsdegradation zu minimieren.
Detaillierte GC/MS-Analysen identifizieren Art und Konzentration Emissionsprofile in Brennstoffzellenmaterialien
Ergänzend zur In-situ-Bewertung kamen Ex-situ-Tests mittels Gaschromatographie und Massenspektrometrie zum Einsatz, um Emissionsmuster von Polymerproben genau zu erfassen. Die qualifizierten Messdaten ermöglichten eine umfassende Analyse von Stoffart und Konzentration emittierter Substanzen. Daraufhin wurde ein standardisiertes Testprotokoll für PEM-Brennstoffzellen-Systeme entwickelt und erfolgreich validiert. Dieses Protokoll gewährleistet eine konsistente, reproduzierbare Materialbewertung unter realitätsnahen Betriebsbedingungen und unterstützt eine gezielte Werkstoffauswahl. Es verbessert die Qualitätskontrolle, senkt Emissionsrisiken und liefert Herstellern verlässliche Entscheidungshilfen für Brennstoffzellenkomponenten.
Leistungsabfall in wenigen Stunden demonstriert dringenden Bedarf an Materialverbesserungen
Systematische Prüfungen ergaben stark divergierende Emissionsmuster bei nominal gleicher Polymerzusammensetzung. Die Spannungsverluste bewegten sich zwischen null und fünfzig Prozent, wobei manche Proben innerhalb weniger Stunden völlig versagten. Bereits geringe Abwandlungen im Additiv?oder Füllstoffprofil wirkten sich maßgeblich auf das Degradationsverhalten aus. In Reaktion hierauf optimierten die Industriepartner ihre Materialrezepturen und Vorbehandlungsstrategien, um Emissionen nachhaltig zu reduzieren und die Langzeitleistung von Brennstoffzellen unter realen Einsatzbedingungen zu maximieren. Messdaten untermauerten erfolgreich die Maßnahmen.
Gemeinsam entwickeln Partner innovative Lösungen für nächste Generation Brennstoffzellensysteme
Vor dem Hintergrund der bisherigen Analyseergebnisse initiieren SKZ und ZBT ein neues IGF-Folgeprojekt, in dem vertiefte mechanische und chemische Werkstoffprüfungen kombiniert mit systematischen Langzeittests in PEM-Brennstoffzellen realisiert werden. Ziel ist es, belastbare Daten für die Modellierung von Lebensdauer, Effizienz und Materialalterung bereitzustellen. Industrieunternehmen werden eingeladen, sich im Steuerungsausschuss zu beteiligen, ihr Fachwissen einzubringen und gemeinsam komplexe, modulare Konzepte für die nächste Generation leistungsfähiger Brennstoffzellensysteme zu entwickeln. sowie Schnittstellen zu erarbeiten.
Systemzuverlässigkeit Brennstoffzellen erhöht durch optimierte Kunststoffkomponenten basierend auf EVOPLAST-Analyse
EVOPLAST liefert erstmals einen holistischen Ansatz zur Bewertung polymerer Bauteile in PEM-Brennstoffzellen durch kombinierte In-situ- und Ex-situ-Tests. Die so gewonnenen Analysedaten ermöglichen die Entwicklung optimierter Materialpakete, die sowohl kostenschonend als auch gewichtsreduziert sind. Gleichzeitig verbessert sich die Systemzuverlässigkeit durch geringere Emissionsraten und stabilere Zellspannungen. Auf dieser Grundlage kann die Markteinführung von Brennstoffzellen in Fahrzeugen und stationären Anlagen deutlich beschleunigt und marktfähiger gestaltet werden und unterstützt den Aufbau einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft.
