Das EVOPLAST-Konsortium aus SKZ, ZBT Duisburg und sechs Industriepartnern hat durch gezielte In-situ-Prüfung direkt in PEM-Zellen und umfassende GC/MS-Analysen die Emissionscharakteristik verschiedener Kunststoffe detailliert untersucht. Hierbei wurden hochreine, medienresistente und langzeitstabile Polymerwerkstoffe identifiziert. Auf Basis dieser fundierten Daten werden Materialauswahl optimiert, Kosten gesenkt und Gewichte reduziert. Gleichzeitig profitiert die gesamte Wertschöpfungskette von enger Zusammenarbeit und praxisnahen Entwicklungsschritten in mobilen wie stationären Brennstoffzellensystemen. Die Ergebnisse beschleunigen den Technologietransfer und stärken Innovation.
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Innovative In-situ- und Ex-situ-Methoden qualifizieren systematisch Kunststoffe für Brennstoffzellen
Vom Mai 2023 bis April 2025 kooperierten das Kunststoff-Zentrum SKZ und das ZBT im EVOPLAST-Projekt mit AGC Chemicals Europe, Bürkert Fluid Control Systems, ContiTech Deutschland, Mitsui Chemicals Europe und Treffert GmbH & Co. KG. Sie entwickelten spezifische Methoden, um Polymerwerkstoffe für PEM-Brennstoffzellen anhand definierter Kriterien auf chemische Beständigkeit, Materialreinheit und Langzeitstabilität zu prüfen und so eine fundierte Bewertung unter realen Applikationsbedingungen zu ermöglichen. Die Resultate tragen entscheidend zur Optimierung künftiger Brennstoffzellensysteme bei.
Dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung erfolgt lokal emissionsfrei durch Wasserstoff-Brennstoffzellen
PEM-Brennstoffzellen, die mit grünem Wasserstoff betrieben werden, erzielen Wirkungsgrade von über 60 Prozent und produzieren keine Treibhausgasemissionen. Sie bieten eine hochflexible Ergänzung zu Wind- und Solarenergie, indem sie Energieüberschüsse speichern und bedarfsgerecht wieder abgeben. In Fahrzeugen gewährleisten sie lange Strecken und schnelle Betankung in Pkw, Bussen, Zügen und Schiffen. Im schweren Transport reduzieren sie Gewichtsnachteile und Ladezeiten. Stationär versorgen sie Gebäude, Rechenzentren und Notfallanlagen autark mit Strom und Wärme effizient.
In-situ-Methodik kombiniert mit Sensoranalyse erhöht signifikant Systemzuverlässigkeit von PEM-Brennstoffzellen
In einem neuartigen Prüfaufbau integriert das ZBT Kunststoffproben direkt in den Anoden- oder Kathodenzuströmungskanal einer PEM-Brennstoffzelle. Die im Betrieb entstehenden gasförmigen Abspaltungen werden unverzüglich in eine Sensorzelle überführt. Dort werden Veränderungen der Zellspannung und Leistungskennwerte in Echtzeit erfasst. Diese Methode gestattet eine hochauflösende Erfassung potenzieller Additivausgasungen sowie deren unmittelbare Auswirkungen auf die elektrische Performance. Auf Basis dieser Echtzeitdaten lassen sich gezielte Materialoptimierungen und Rezepturanpassungen zur Langzeitstabilisierung systematisch ableiten und umsetzen.
Effizientes standardisiertes Testprotokoll garantiert reproduzierbare Materialbewertung entlang industrieller Brennstoffzellen-Anwendungen
Die Kombination von In-situ-Tests und Ex-situ-Analysen über Gaschromatographie und Massenspektrometrie ermöglichte eine ganzheitliche Untersuchung polymerer Emissionen. Umfangreiche GC/MS-Daten lieferten präzise Informationen über chemische Zusammensetzung und Konzentrationsverläufe. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde ein industrietaugliches Prüfprotokoll entwickelt und sorgfältig validiert. Dieses standardisierte Verfahren stellt sicher, dass Materialien für PEM-Brennstoffzellen systematisch nach Emissionsverhalten bewertet werden und erlaubt Vergleiche zwischen unterschiedlichen Werkstofflieferanten. Das Protokoll ist flexibel anpassbar und erleichtert effizient die Markteinführung neuer Materialien.
Heterogenes Emissionsverhalten erfordert schnelle standardisierte Tests und optimierte Materialauswahl
Ergebnisse der Emissionsanalysen zeigten ein deutlich uneinheitliches Verhalten gleichaussehender Polymerbasen: Teilweise blieben Spannungen stabil, während andere Proben bis zu fünfzig Prozent Leistung einbüßten und in extremen Fällen binnen Stunden komplett ausfielen. Schon geringste Additiv?oder Füllstoffmengen beeinflussten maßgeblich die Zersetzungsrate. Auf Basis dieser Befunde passten die Industriepartner gezielt Rezepturen und Vorbehandlungsparameter an, um Emissionen zu senken und eine verbesserte Langzeitperformance in Brennstoffzellensystemen zu gewährleisten. Zusätzliche Validierungen bestätigten den nachhaltigen Nutzen effektiv.
SKZ und ZBT laden Unternehmen zum IGF-Ausschuss Zellkomponentenentwicklung ein
Die vorliegenden Forschungsergebnisse dienen als Fundament für das geplante IGF-Folgeprojekt von SKZ und ZBT, in dessen Rahmen erweiterte Materialcharakterisierungen, Korrosionsprüfungen und Systemintegritätsanalysen in Brennstoffzellen durchgeführt werden. Hierbei werden realitätsnahe Betriebszyklen simuliert und datengetriebene Auswertetools eingesetzt. Interessierte Firmen können sich über den projektbegleitenden Ausschuss beteiligen, ihre spezifischen Anwendungsanforderungen einbringen und im Konsortium gemeinsam zukunftsweisende Technologielösungen für die nächste Generation effizienter PEM-Brennstoffzellen vorantreiben. Zudem optimierte Fertigungsprozesse, Recyclingstrategien und modulare Wartungskonzepte entwickelt werden.
Belastbare Datenbasis führt zu gezielter Polymerauswahl und langfristiger Zellstabilität
Durch die Entwicklung neuartiger Sensortechniken im EVOPLAST-Projekt lassen sich Emissionen polymerer Werkstoffe während des Zellbetriebs direkt detektieren und quantifizieren. Echtzeit-Daten aus der Sensorzelle und ergänzende GC/MS-Analysen liefern präzise Emissionsprofile, die in optimierten Materialrezepturen münden. Dieses Verfahren gewährleistet gleichbleibend hohe Leistung, minimiert Spannungseinbrüche und senkt das Gesamtgewicht sowie die Fertigungskosten. Damit wird eine robuste Grundlage für zuverlässige und effiziente PEM-Brennstoffzellen geschaffen. Es unterstützt die Skalierung Brennstoffzellenmodule für Mobilität und stationäre Anwendungen.
