Ziele

In diesem Projekt wird ein Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) Brennstoffzellensystem mit einer Leistung von 5-10 kW aufgebaut und an das innerbetriebliche Stromnetz des Standortes Achim der Fa. Zeppelin Power Systems angeschlossen. Dieses System dient im Projekt als realitätsnahe Testund Demonstrationsumgebung. Hauptmerkmal ist dabei die flexible Einsteuerung unterschiedlicher Lastkurven. Dies ermöglicht die Abbildung des Betriebs von Mobilitäts- und Off-Grid-Lösungen, bspw. den Betrieb in einem PKW, LKW oder Zug, als auch Off-Highway  ahrzeugen und mobilen Systemen wie Notstromaggregaten. Nach erfolgter Integration und Inbetriebnahme soll das System mit geeigneten Lastkurven so betrieben werden, dass ein gezielter Verschleiß des verwendeten Brennstoffzellenstacks auftritt. Hierzu werden die vordefinierten  Lastkurven mittels der Stromwandler dem Stack aufgeprägt. Während des Betriebes werden system- und betriebsspezifische Parameter wie Betriebszeiten, Last, Temperatur, Wasserstoffmenge, Wasserstoffgüte, etc. ermittelt und aufgezeichnet. Aus diesen Parametern sollen anschließend Vorhersagemodelle zur Lebensdauer und zur Erarbeitung intelligenter Betriebsstrategien für Brennstoffzellensysteme abgeleitet werden. Aus den Vorhersagemodellen werden Strategien abgeleitet, welche ein intelligentes Austauschen des Stacks mit geringster Betriebsunterbrechung ermöglichen. Dazu soll ein Stackanschlusskonzept entwickelt werden, das einen zeitoptimierten Austausch ermöglicht. Weiterhin steht eine optimale Wartbarkeit des Stacks zum Zeitpunkt des Austauschs im Fokus.

 

Nach einem Betrieb zur beschleunigten Alterung und Austausch eines Stacks, soll dieser möglichst zerstörungsfrei demontiert werden. Eine zerstörungsfreie Demontage ermöglicht im Weiteren ein effizienteres, komponentenfokussiertes Recycling mit höherem Materialgewinnungsgrad und geringerem Energieaufwand als bisherige Verfahren. Hierzu soll ein Demontageprozess im Sinne einer Prozessstation und benötigter Betriebsmittel entwickelt werden, die flexibel und wandlungsfähig eine Demontage ermöglicht. So kann die dem Hochlauf der Brennstoffzellentechnologie folgenden steigende Stückzahl zu recycelnder Brennstoffzellenstacks begegnet werden, sowie zukünftig weitere ähnliche Produkte wie bspw. Elektrolysestacks adressiert werden. Die im Projekt betriebenen Stacks werden in der Prozesstation demontiert und die auftretenden Prozessparameter wie Kräfte, Momente und Abnutzungseffekte erfasst.

 

Nach der zerstörungsfreien Demontage werden die Stack-Komponenten auf Degradation hin untersucht. Es spielen dabei vor allem die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) und die verwendeten Bipolarplatten (BPP) eine wichtige Rolle. Aus den Ergebnissen zur Materialdegradation,
Materialmigration, Anhaftungserscheinungen, Materialwechselwirkungen und weiteren mechanischen und chemischen Veränderungen werden Rückschlüsse auf eine optimierte Material-, Komponenten-, und Systemauslegung getroffen. Sie werden mit den im Betrieb gewonnenen Messwerten in Beziehung gesetzt, um die Betriebsstrategien für längere Lebensdauern zu optimieren. Dies gewährleistet eine optimale und wirtschaftliche Nutzung der Brennstoffzellenstacks.

 

Abschließend werden Strategien entwickelt, einzelne Komponenten effizient unter hoher Rohstoffrückgewinnung zu recyclieren. Dazu wird ermittelt, welche Verwertungsprozesse in Hinblick auf Alterungszustand und Kontamination für welche Komponenten geeignet sind. Für Komponenten, an denen geringe oder keine Degradation auftrat, wird eine Wiederverwendung in „Second-Life“ Strategien geprüft. Zusätzlich wird eine Nachhaltigkeitsbewertung aller Prozesse und Materialien durchgeführt, um eine möglichst CO2-arme Prozesskette des Lebenszyklus von der Herstellung bis zum Recycling zu erhalten.