Stack Scale up – Industrialisierung PEM Elektrolyse

Für die PEM Elektrolyse wird ein weltweit großes Marktwachstum innerhalb der nächsten 10 Jahre erwartet. Die PEM EL-Technologie birgt noch große Potentiale hinsichtlich der Anlageninvestitionskosten (EUR/kW) und Lebensdauer. Eine Reduzierung größer 50 % gilt als eine der Hauptvoraussetzungen für die wettbewerbsfähige Erzeugung von grünem Wasserstoff mittels PEM EL. Ein wesentlicher Beitrag wird der Stack-Technologie zugeschrieben, die die Kernkomponente einer Elektrolyseanlage darstellt. Ziel von StacIE ist die Weiterentwicklung der Stack-Technologie, sowohl auf Komponentenebene als auch auf Subsystemebene mit den Zielen höhere Effizienz (>75 %), höhere Lebensdauer (>80.000 h), geringere Herstellkosten sowie die Weiterentwicklung zu großserientauglichen Produktionsverfahren hinsichtlich Baugrößen und Ausbringungsmenge (GW p.a.). Technologische Entwicklungsfelder sind dabei die Strukturierung der Bipolarplatte, die Herstellung besserer poröser Transportschichten (PTLs), Katalysatorbeschichtungen auf Membran oder PTL, korrosionsbeständige Schutzschichten und ein automatisierter Stack-Aufbau. Dazu wurde ein Konsortium mit Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft am Standort Deutschland gebildet. Die Partner weisen in elementaren Bereichen der Stack-Technologie ausgewiesene Kompetenz und Ressourcen zu Test und Produktion der Komponenten auf – und erfüllen somit eine Schlüsselfunktion für eine zukünftige Lieferkette in Deutschland. Im Ergebnis soll dieses Forschungsvorhaben dazu beitragen die Wettbewerbsfähigkeit des Standort Deutschlands in Bezug auf Technologie und Produktion von PEM Elektrolyse Stacks und dessen Komponenten zu stärken. Die Arbeiten am KIT umfassen experimentelle Untersuchungen und Simulationen, mit dem Ziel Leistungsfähigkeit und Stabilität des PEMEL-Stacks zu steigern, d.h. Entwicklung und Einsatz von Prüftechnik, dynamischen Messverfahren, physikochemischen Zellmodellen sowie CFD-Simulationstools zur Optimierung der Bipolarplatten.

Die Arbeiten am KIT umfassen Entwicklung und Einsatz eines dynamischen elektrochemischen 0D-Zellmodells das als Basis für eine modellbasierte Elektrolyseurauslegung eingesetzt wird. Zur experimentell gestützten Modellentwicklung und -parametrierung werden ein Prüfstand für die elektrochemische Charakterisierung inkrementeller Wiederholeinheiten entwickelt und dynamische Messverfahren für PEMEL-Zellen implementiert. Über konventionelle und neu zu entwickelnde Charakterisierungsverfahren wird die Modellstruktur und zugehörige Parameter ermittelt. Im Fokus stehen dabei auch die Bestimmung lokaler Stoffkonzentrationen über operando massenspektrometrische und gaschromatographische Analysetechniken. Eine erweiterte dynamische Modellierung unter spezieller Berücksichtigung der nichtlinearen elektrochemischen Prozesse in der Zelle soll auf Basis der NFRA-Messungen wie auch der thermischen, chemischen und Druckimpedanzspektroskopie erfolgen.