Das industriegeförderte Projekt EVOPLAST hat das Kunststoff?Zentrum SKZ, das ZBT in Duisburg und sechs Industriepartner zusammengeführt, um Kunststoffe systematisch für PEM-Brennstoffzellen zu qualifizieren. Mithilfe neuartiger In-situ-Testmethoden und ergänzender GC/MS-Analysen wurden medienbeständige, reine und langlebige Polymerwerkstoffe identifiziert. Die Ergebnisse liefern wichtige Impulse für Kosten- und Gewichtsreduktion sowie optimierte Materialauswahl in mobilen und stationären Brennstoffzellensystemen. Das Projekt stärkt praxisorientierte Partnerschaften entlang der gesamten Wertschöpfungskette nachhaltig und beschleunigt technologieübergreifende Innovation im Energiebereich entscheidend.
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EVOPLAST: SKZ und ZBT entwickeln systematische Polymertests für PEM-Brennstoffzellen
Im Rahmen des Industrieprojekts EVOPLAST, das von Mai 2023 bis April 2025 lief, arbeiteten das Kunststoff-Zentrum SKZ und das Zentrum für BrennstoffzellenTechnik (ZBT) zusammen mit AGC Chemicals Europe, Bürkert Fluid Control Systems, ContiTech Deutschland, Mitsui Chemicals Europe und Treffert GmbH & Co. KG. Ziel war es, maßgeschneiderte Bewertungsansätze für Polymerwerkstoffe in PEM-Brennstoffzellen zu entwickeln und damit systematisch Medienbeständigkeit, Reinheit sowie Langzeitstabilität der eingesetzten Materialien zu untersuchen. Die gewonnenen Erkenntnisse verbessern Materialauswahl und Systemzuverlässigkeit.
PEM-Brennstoffzellen erreichen über sechzig Prozent Wirkungsgrad und maximale Flexibilität
Wasserstoffbetriebene PEM-Brennstoffzellen erzielen Wirkungsgrade von über 60 Prozent und produzieren keinerlei direkte CO2-Emissionen. Ihre Einsatzflexibilität ergänzt erneuerbare Energien durch bedarfsorientierte Strom- und Wärmebereitstellung ohne Netzausbau. In der Mobilität ermöglichen sie hohe Reichweiten, kurze Betankungszyklen und eignen sich für Pkw, Busse, Züge oder Schiffe. Im Schwerlastverkehr gleichen sie Gewichtsnachteile aus und reduzieren Ladezeiten. Stationär leisten sie dezentralen Strom-, Wärme- und Notstrombedarf in Gebäuden und Rechenzentren mit minimalem Wartungsaufwand und langer Betriebsdauer.
In-situ-Testverfahren misst Polymeremissionen in PEM-Zellen mit Sensorzelle präzise direkt
Mit einer neu entwickelten In-situ-Testmethode untersucht das Zentrum für Brennstoffzellentechnik Kunststoffproben unter streng definierten Betriebsbedingungen im Anoden- oder Kathodenzulauf einer PEM-Brennstoffzelle. Die so entstehenden Emissionen werden direkt in eine nachgeschaltete Sensorzelle überführt und dort auf Änderungen von Spannung und Leistungskennlinien analysiert. Durch die kontinuierliche Echtzeitbewertung lassen sich potenziell desorbierende Additive präzise identifizieren, quantifizieren und hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Zellfunktion und Langzeitstabilität bewerten.
Ex-situ GC/MS-Analysen optimieren Brennstoffzellenmaterialbewertung und Testprotokollentwicklung für industrielle Anwendungsfälle
Zusätzlich zur In-situ-Messung kamen Ex-situ-Analysen mittels Gaschromatographie und Massenspektrometrie zum Einsatz. Dadurch können chemische Spezies sowie deren Konzentrationen in den Polymermaterialien exakt bestimmt werden. Auf Grundlage dieser detaillierten Emissionsprofile wurde ein maßgeschneidertes Testprotokoll für PEM-Brennstoffzellen erarbeitet und validiert. Dieses Protokoll ermöglicht eine reproduzierbare und standardisierte Bewertung unterschiedlicher Polymerwerkstoffe im Hinblick auf ihre Langzeitstabilität und Leistung unter realen Betriebsbedingungen. Es gewährleistet eine branchenübergreifende Vergleichbarkeit und optimiert Materialauswahlprozesse präzise für zukünftige Anwendungen.
Stark heterogenes Emissionsverhalten in Polymeren zwingt Optimierung der Rezepturen
Untersuchungen belegten deutlich variierende Emissionsprofile selbst bei Polymerbasen gleicher Zusammensetzung, die zu Spannungsabfällen zwischen null und fünfzig Prozent führten und binnen weniger Stunden kompletten Leistungseinbruch verursachten. Dabei erwies sich, dass schon minimale Zusatzstoff?oder Füllstoffmengen die Abbaurate signifikant beschleunigen. Basierend auf diesen Erkenntnissen überarbeiteten die Projektpartner ihre Materialformulierungen sowie Vorbehandlungsverfahren, um gezielt Emissionen einzudämmen und die Langzeitleistung von PEM?Brennstoffzellen nachhaltig zu verbessern.
SKZ und ZBT initiieren IGF-Folgeprojekt zur Weiterentwicklung von Brennstoffzellensystemen
Basierend auf den gewonnenen Ergebnissen entwickeln SKZ und ZBT ein neues IGF-Folgeprojekt, das gezielt vertiefte werkstofftechnische und systembezogene Fragestellungen untersucht. Im Mittelpunkt stehen umfangreiche Materialstudien, Langzeiterprobungen unter realen Betriebskonditionen und die Optimierung von Bauteilschnittstellen zur Leistungssteigerung. Unternehmen sind aufgerufen, sich aktiv im projektbegleitenden Ausschuss zu engagieren, um gemeinsam innovative Ansätze für die nächste Generation von PEM-Brennstoffzellen zu erarbeiten und marktfähige Lösungen vorzubereiten. Dabei ihre Expertise einzubringen und Synergien zu erzielen.
EVOPLAST-Ergebnisse ermöglichen gezielte Polymerauswahl und Optimierung für moderne PEM-Brennstoffzellen
Die Ergebnisse des EVOPLAST-Projekts liefern eine umfassende und belastbare Datengrundlage zur Auswahl und Optimierung polymerer Komponenten in PEM-Brennstoffzellen. Mittels kombinierter In-situ- und Ex-situ-Analysen werden potenzielle Materialschwächen identifiziert, wodurch gezielte Rezepturoptimierungen möglich sind. Dies führt zu geringeren Materialkosten und reduzierter Systemmasse, während die Betriebssicherheit signifikant steigt. Beschleunigte Markteinführungen in mobilen und stationären Brennstoffzellensystemen unterstützen die Transformation hin zu einer nachhaltigen, wasserstoffgestützten Energieversorgung und ermöglichen einen maßgeblichen und effizienten Beitrag zur Dekarbonisierung.
