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Designing multifunctional materials for proton exchange membrane fuel cells

Project of the research network "Reduction and reuse of CO2: renewable fuels for efficient electricity production"

Auf einen Blick

Beschreibung

IN KÜRZE

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen dienen zur Umwandlung der chemischen Energie eines Brennstoffs (z.B. Wasserstoff) in elektrische Energie. Als einziges Nebenerzeugnis der Energiewandlung („Abgas“) entsteht Wasser.


In einer Brennstoffzelle finden mehrere physikalische und elektrochemische Prozesse statt; hierzu werden spezielle multifunktionale Materialien benötigt. Für einen effizienten Betrieb der Zellen müssen mehrere Transportprozesse in porösen Materialien aufeinander abgestimmt werden. Forschungsgebiete des Projekts sind die experimentelle Charakterisierung und das modellbasierte Design der multifunktionaler Materialien.




INHALT UND ZIEL DES FORSCHUNGSPROJEKTS

Ziel des Forschungsprojekts ist es, die in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen verwendeten multifunktionalen porösen Materialien zu verbessern. Die Materialien sollen ein optimales Wassermanagement der Zellen ermöglichen - wichtig ist dabei der Abtransport von flüssigem Wasser, das bei der elektrochemischen Reaktion in den Brennstoffzellen entsteht. Zudem müssen die Materialien den Transport elektrischer Ladung, von Wärme und von Gasen ermöglichen und kostengünstig sein.


Unser Ziel ist es ein experimentell validiertes Computermodell von Brennstoffzellen zu entwickeln, wobei v.a. die Prozesse der Produktion und des Transports von flüssigem Wasser berücksichtigt werden sollen. Unser Arbeitsprogramm ist dabei: (i) experimentelle Bestimmung der Eigenschaften der trockenen, porösen Materialien mithilfe von Röntgentomographie. Es werden Algorithmen für die Bildanalyse und für das Post-Processing entwickelt, (ii) Entwicklung eines Modells auf der Porenskala, in dem der Transport von flüssigem Wasser und der Einfluss des Wassers auf andere Transporteigenschaften (Gase, Wärme, elektrische Ladung) berücksichtigt werden, (iii) Untersuchung des Wassers an den Grenzflächen der Materialien.


WISSENSCHAFTLICHER UND GESELLSCHAFTLICHER KONTEXT DES FORSCHUNGSPROJEKTS

Das Projekt wird dazu beitragen, die Performance von Brennstoffzellen zur erhöhen und die Kosten für die Produktion von elektrischem Strom aus Wasserstoff zu verringern. Ein attraktiver Preis und eine hohe Leistungsdichte sollen die Brennstoffzellen zu einer wettbewerbsfähigen emissionsfreien Technologie im Vergleich zum Einsatz fossiler Energiewandler im Mobilitätsbereich machen. Ihre Anwendung wird zur Verringerung der CO2-Emissionen im Transportbereich beitragen. Weitere Anwendungen sind der Einsatz im Hausenergiebereich zur kombinierten Wärme- und Stromproduktion.


Weiterführende Informationen

Publikationen