Wasserstoffenergiesysteme

Aufgrund der aktuellen Entscheidungen zur Energiepolitik, die der weltweiten Erwärmung unserer Atmosphäre Rechnung tragen, ist in Deutschland eine Entwicklung der Energiesysteme hin zu einer Versorgung mittels regenerativ gewonnener elektrischer Energie beschlossen und begonnen worden. Da regenerativ erzeugte elektrische Energie aus Wind und Sonne diskontinuierlich anfällt, rückt das Thema der Energiespeicherung immer stärker ins Zentrum der Aufmerksamkeit.
Neben den Konzepten zur Speicherung in Batteriesystemen (z.B. in den Lithiumakkumulatoren, REDOX-Flow-Batterien) gehen Experten davon aus, dass (insbesondere) zur Langzeitspeicherung von Energie der Gewinnung von Wasserstoff mittels Elektrolyse große Bedeutung zukommen wird. Auf diese Weise wird die Langzeitspeicherung, z.B. in Kavernenspeichern, möglich, ähnlich wie dies heute bereits bei der Langzeitspeicherung von Erdgas vorgenommen wird.

 

Die Arbeitsgruppen „Wasserstoffenergiesysteme“ und „Wasserstofftechnik“ befassen sich seit über 15 Jahren mit der Entwicklung und Untersuchung von kleinen bis mittleren PEM Brennstoffzellen und Elektrolyseursystemen. Eine Vielzahl von Prototypen konnte bereits realisiert werden, wobei für die in-situ Untersuchungen Brennstoffzellenprüfstände von 30W (MEA-Tests) bis 1,8kW (Imax 150A) bzw. ein Elektrolyseurteststand bis 1kW (Imax 100A) zur Verfügung stehen. Darüber hinaus entsteht zurzeit ein neuer PEM-Hochdruck-Elektrolyseurprüfstand zur Untersuchung von Einzelzellen bis zu einer Leistungsaufnahme bis 5kW.

Ein Schwerpunkt der Arbeit ist die Entwicklung von Einzelzellen, Stacks sowie Systemen, insbesondere für Spezialanwendungen (z.B. zylindrische Designs mit einem Durchmesser von 30 bis 250mm). Prototypen werden aus Graphit oder Edelstahl gefertigt, wobei hier eine eigene Anlage zur galvanischen Beschichtung entwickelt worden ist. Es besteht eine hohe Kompetenz in der Beschichtung von metallischen und graphitischen Werkstücken z.B. mit Nickel, Cobalt, Gold oder Platin. Darüber hinaus liegen große Erfahrungen in der Verwendung titanbasierter Polplatten vor. Die Konstruktion sowie Fertigung erfolgt vollständig in der Westfälischen Hochschule. Systeme im Labormaßstab werden vornehmlich aus kommerziell verfügbaren Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) aufgebaut. Die Entwicklung von eigenen MEAs für PEM-Brennstoffzellen und Elektrolyseure befindet sich zurzeit in der Validierungsphase.

Eine Schlüsselentwicklung der Arbeitsgruppe ist ein neuartiges modulares Stackdesign auf Basis der hydraulischen Verpressung, welches bereits weltweit zum Patent angemeldet worden ist. Brennstoffzellenprototypen bis 500 W sind bereits demonstriert worden. Untersuchungen an den neuen Systemen zeigten eine wesentlich verbesserte Stromdichte- und Temperaturverteilung durch die Anwendung der hydraulischen Verpressung von Einzelzellen. Ein Hochdruck-Elektrolyseur basierend auf diesem Prinzip befindet sich zurzeit in der Entwicklung, wobei Laborfunktionsmuster bereits der Öffentlichkeit präsentiert worden sind.

Laufende Projekte

Entwicklung eines Funktionsmusters für ein modulares Lithium-Ionen-Batteriesystem auf Basis der hydraulischen Verpessung von Einzelzellen - LiModPress,  13FH0E22IA, Laufzeit 01.10.2019 bis 31.03.2021

Evaluierung der technisch wirtschaftlichen Vorteile des Open-Cell-Moduls bei Lithium-Ionen und Lithium-Schwefel Batterien im Hinblick auf stationäre und mobile Anwendungen - EVOLi²S, 03ETE009H, Laufzeit 01.08.2018 bis 31.07.2021

Entwicklung eines auf der Basis der hydraulischen Kompressionstechnologie entwickelten 2 kW 5-Zellen-AEMWE-Stacks - NEWELY, 875118 , Laufzeit 01.01.2020 bis 31.12.2022

Entwicklung und Demonstration eines anwendungsnahen, wasserstoffbasierten Hochtemperatur-Wärmespeichersystems - HyHeatStore, EFRE-0801552, Laufzeit 01.05.2019 bis 31.12.2022

Iridiumkatalysatorentwicklung auf Basis oberflächenmodifizierter Keramikträger - LIKELY, EFRE-0801480, Laufzeit 01.07.2019 bis 30.06.2022

Entwicklung einer PEM-Hochdruck-Elektrolyse-Anlage zur Langzeituntersuchung - HYDRA 15, EFRE-0801601, Laufzeit 01.07.2019 bis 31.12.2022

Entwicklung von kostengünstigen, langzeitstabilen und leistungsverbesserten Membran-Elektroden-Einheiten für PEM-Brennstroffzellen und PEM-Hochdruckwasserelektrolyseure vorzugsweise eingesetzt in Systemen mit hydraulischer Verpressung - HyPresMEA, 13FH257PA6, Laufzeit 01.01.2019 bis 21.12.2021

Novel modular stack design for high pressure PEM water electrolyzer technology with wide operation range and recduced cost - PRETZEL, 779478, Laufzeit 01.01.2018 bis 31.12.2020

Optimierte Iridium/Titanoxid-Schichten für den Einsatz in der PEM-Wasserelektrolyse - IT-PEM, 19817BG, Laufzeit 01.11.2017 bis 30.04.2020

Entwicklung eines vollmodularen Stacks für Vanadium-Redox-Batterien mit segmentierten Zellen - VARZELL, EFRE-0800546, 10.11.2016-09.11.2019

Entwicklung eines modular designten Standard-Testsystems für Hochtemperatur-Polymerelektrolyt Brennstoffzellen mit hydraulischer Verpressung - HT-MoDe-FC, EFRE-0800551, Laufzeit 01.01.2017 bis 31.12.2019

 

Abgeschlossene Projekte

Smart Solar Geothermal Energy Grid Ruhr - GeoSmaGriR, 03FH0I12IA, Laufzeit 01.01.2017-31.12.2018

Validierung eines neuartigen modular aufgebauten Elektrolyseursystems zur Produktion von Wasserstoff aus regnerativen Energiequellen - MoDePEM, EFRE-0400094, Laufzeit 01.01.2017 bis 31.12.2018

Entwicklung eines vollmodularen PEM-Elektrolyseurs mit segmentierten, planaren Polplatten - VOMPELS, EFRE-0800099, Laufzeit 10.03.2016 bis 09.03.2019

Entwicklung von Low Cost Gasdiffusionselektroden auf Basis von CNTs/CNFs für den Einsatz in PEM-Brennstoffzellen - LOCOPEM, EFRE-0800111, Laufzeit 09.03.2016 bis 08.03.2019

FHInvest 2016: Charakterisierung und Qualifizierung von PEM-Hochdruckelektrolyseurkomponenten im Hochdruckbetrieb bis 100 bar, 03FH012IN6, Laufzeit 15.09.2016 bis 14.09.2017

Langzeit-Monitoring-System für autarke Umweltüberwachung über und unter Tage mit einer Brennstoffzelle als Energiequelle, KF2697004ZG4, Laufzeit 01.09.2014 bis 30.04.2017

Maschinen- und Verfahrenstechnologie für die Hochgeschwindigkeits-Blechumformung auf Basis einer Elektrodetonation, KF2697003UW3, Laufzeit: 01.05.2014 bis 31.10.2016

Entwurf intelligenter Steuerungs- und Regelungsansätze für Elektrospeicherheizungen zur Bereitstellung von Speicherkapazitäten in volatilen elektrischen Energienetzen, KF2697005NT4, Laufzeit 01.05.2015 bis 30.06.2016

Entwicklung eines PEM-Hochdruckelektrolyseurs in Taschenbauweise mit hydraulischer Verpressung von Polplatten und Membrane sowie Ausgangsdruck von 50 bar, KF2697002ZG3, Laufzeit 01.09.2013 bis 30.06.2016

Neuartige Membran-GDL-Assembleys für PEM-Brennstoffzellensysteme – NanoFuelCells, 005-1111-0010, Laufzeit 15.01.2012 bis 31.05.2015

Energieautarke Bohrlochsensorik mittels Brennstoffzellen – GeoFuelCells, 005-1009-0032, Laufzeit 01.01.2011 bis 31.12.2013

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Michael Brodmann