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Wie die Membrantechnologie die Kommerzialisierung von Brennstoffzellen in der Automobilindustrie vorantreibt

Von Simon Cleghorn, globaler Produktspezialist, WL Gore & Associates

Ohne Zweifel ist Wasserstoff für unsere saubere Energiezukunft von entscheidender Bedeutung, und als wichtige nachgelagerte Anwendung von Wasserstoff wird die Brennstoffzellentechnologie von Tag zu Tag ausgereifter. So sehr, dass bei WL Gore & Associates (Gore) Wasserstoff unsere globale Vision eines kohlenstoffarmen, nachhaltigen Energiesystems vorantreibt. Und nirgendwo ist dies offensichtlicher als im Verkehrssektor, einem Schlüsselakteur bei der Einführung von Wasserstoff als Energiequelle.

Entscheidend für die Realisierung dieses zukünftigen Potenzials ist der Brennstoffzellenstapel mit Protonenaustauschmembran (PEM), der eine Membrantechnologie nutzt, die mit dem richtigen Fachwissen die Kommerzialisierung von FCEVs beschleunigen kann, indem sie die Leistung und Zuverlässigkeit von Brennstoffzellenstapeln und -systemen erheblich verbessert.

Derzeit gibt es zwei Technologien, die den CO2-Fußabdruck des Transports reduzieren können: Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs) und Batterie-Elektrofahrzeuge (BEVs).

Mit einer schnellen Betankungszeit von 3-5 Minuten, einer erweiterten Reichweite von über 400 Meilen und einer schnell wachsenden verfügbaren Wasserstoffinfrastruktur gewinnen brennstoffzellenbetriebene Fahrzeuge unglaublich viel Zugkraft und eröffnen neue Möglichkeiten für die Zukunft der Mobilität.

Bei genauerer Betrachtung der verschiedenen Arten von Brennstoffzellentechnologien bieten Protonenaustauschmembran(PEM)-Brennstoffzellen viele vielversprechende Möglichkeiten für Automobilanwendungen. Werfen wir also einen Blick auf einige der vielen Vorteile und Gründe, warum das PEM-Brennstoffzellenstapelsystem eine großartige Lösung für Fahrzeuge ist.

Im Vergleich zu Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) und Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) bietet die Wasserstoff-PEM-Brennstoffzelle eine hohe Leistungsdichte, ein geringes Gewicht und Volumen sowie ein attraktives Betriebstemperaturfenster, das vor dem Betrieb keine Vorwärmung erfordert (Abbildung 1). .

© WL Gore & Associates

Dadurch können Automobilhersteller ein breiteres Portfolio an brennstoffzellenbetriebenen Produkten anbieten – von Pkw über Nutzfahrzeuge bis hin zu Logistik-Lkw mit großer Reichweite. Diese überlegene Vielseitigkeit hat es PEM-Brennstoffzellenstacks und -systemen ermöglicht, den 64%-Anteil des Brennstoffzellenmarkts zu übernehmen (Abbildung 2).

© WL Gore & Associates

Die potenziellen Vorteile der PEM-Brennstoffzellentechnologie machen es für Autohersteller entscheidend, zu investieren. Die Technologie muss jedoch kommerziell rentabel und wettbewerbsfähig sein, um Skaleneffekte zu erzielen. Um eine breite Akzeptanz zu erreichen, müssen Ingenieure von Brennstoffzellen-Stacks mit Experten für Membrantechnologie zusammenarbeiten und gemeinsam PEM, Stack und System optimieren, um die Kommerzialisierungsanforderungen für FCEVs in drei großen Kategorien zu erfüllen:

  1. Zuverlässige Leistung – Verstehen Sie die Leistungsdichte und Haltbarkeitseigenschaften von PEM und wie Sie die Membrantechnologie für eine optimale Leistung im Stapel und im System nutzen können.
  2. Technischer Support – Stellen Sie gebrauchstaugliche Lösungen, technisches Know-how und Serviceunterstützung sicher, um die Ziele des Fahrzeugprogramms zu erreichen.
  3. Versorgungssicherheit – Aufrechterhaltung einer zuverlässigen Lieferkette von Komponenten und Materialien für Wasserstoffbrennstoffe, um Qualität, Konsistenz und skalierbare Produktion zu erreichen.

Zuverlässige Leistung

Die PEM in einer Brennstoffzelle trennt Wasserstoff von Luft (Sauerstoff), transportiert Protonen von der Anode zur Kathode und verhindert einen Kurzschluss der Elektronen in der Zelle. Damit ist die PEM ein wesentlicher Bestandteil der Wasserstoff-zu-Energie-Umwandlung in der Brennstoffzelle. Um unter hohen Temperaturen und potenziell trockenen Bedingungen zuverlässig zu funktionieren und eine hervorragende Leistung zu erbringen, müssen PEMs in einem Brennstoffzellenstapel für Kraftfahrzeuge eine hohe Protonenleitfähigkeit aufweisen (Leistungsdichte ermöglichen), gegen chemische Zersetzung und mechanisches Versagen beständig sein und eine geringe Gasdurchlässigkeit aufweisen.

Durch die Verwendung dünnerer PEMs können Ingenieure den Protonenwiderstand verringern und gleichzeitig den Wassertransport erhöhen und die Leistung verbessern, insbesondere bei niedriger relativer Luftfeuchtigkeit (RH). Herkömmlich dünnere PEMs können jedoch die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen und daher die Lebensdauer der Brennstoffzelle beeinträchtigen.

Darüber hinaus können dünnere PEMs zu einem Anstieg des Gasübergangs und einer geringeren Kraftstoffeffizienz sowie zu einer erhöhten Konzentration schädlicher Radikale führen, die den chemischen Abbau beschleunigen und zu einer verkürzten Produktlebensdauer führen.

Diese Kompromisse können durch Mikroverstärkung der PEM mit expandiertem Polytetrafluorethylen – oder ePTFE – erheblich reduziert werden. Die verbundverstärkte PEM-Technologie von Gore wurde auf der Grundlage jahrzehntelanger Erfahrung in der Materialtechnik entwickelt und basiert auf einer Kombination aus hochentwickeltem ePTFE, Hochleistungs-Ionomeren und proprietären Membranadditiven zur Bekämpfung des chemischen Abbaus. Das Ergebnis ist ein niederohmiges und langlebiges Produktdesign für spezifische Anwendungsanforderungen (Abbildung 3). Kontinuierliche F&E-Bemühungen bei PEM-Materialien und -Designs sowie Brennstoffzellenstapeln und -systemen müssen einen ganzheitlichen Ansatz verfolgen, um ihre Wechselwirkungen und Kompromisse zu verstehen, um die Leistung und Kosten der Endanwendung zu optimieren.

© WL Gore & Associates

Technischer Support

Auf dem Weg von der PEM-Forschung und -Entwicklung zur Produktion und Kommerzialisierung entstehen neue und unterschiedliche Produktanforderungen. PEM-Lieferanten müssen über das technische Know-how und Wissen verfügen, um die kundenspezifischen, gebrauchsfertigen Anforderungen der Automobilhersteller zu erfüllen.

Für einen Komponentenlieferanten ist es wichtig, über ein tiefes Verständnis der potenziellen Leistungskompromisse seiner Komponente und der potenziellen Wechselwirkungen mit anderen Komponenten im Brennstoffzellenstapel und -system zu verfügen. Im Falle der PEM hat Gore sowohl Modellierungs-, In-situ- (in der Brennstoffzelle) als auch Ex-situ-Testmethoden entwickelt, um das Verständnis dieser Wechselwirkungen zu ermöglichen und das Produktdesign zu beschleunigen.

Entscheidend ist, dass führende PEM-Lieferanten in der Lage sein sollten, elektrochemische Analysen vor Ort (in der Brennstoffzelle) durchzuführen, um die Ursache für geringe Leistung und/oder Leistungsverlust im Laufe der Zeit zu bestimmen, die aus Materialänderungen resultieren könnten. Ex-situ-Postmortem-Analysewerkzeuge sollten Automobilzulieferern leicht zur Verfügung stehen, um die Ausfallarten und -mechanismen von vor Ort zurückgegebenen MEA/PEM-Stapeln zu diagnostizieren.

Um das Bild für einen ganzheitlichen technischen Support abzurunden, sollten PEM-Lieferanten über umfassende globale Analyseressourcen verfügen, um oberflächenwissenschaftliche Untersuchungen, thermische, mechanische und physikalische Charakterisierung, chemische Analyse und mikrostrukturelle Charakterisierung für komplexe Problemlösungen zu unterstützen.

Versorgungssicherheit

Während Autohersteller zur Massenproduktion von Brennstoffzellen übergehen, müssen PEM-Hersteller hohe Produktionserträge mit konsistenten Hochleistungsprodukten sicherstellen – und gleichzeitig Produktkosten und Qualitätsrisiken minimieren. PEM-Lieferanten mit konsistenten Rohstoffen und Präzisionsmembranbeschichtungstechnologie können Einheitlichkeit und Qualität sicherstellen, indem sie die Variabilität von Zelle zu Zelle minimieren (Abbildung 4). Dadurch können Hersteller von Brennstoffzellenstacks die Leistungsverteilung sowohl innerhalb der Zelle als auch von Zelle zu Zelle im Stack präzise steuern. Dies führt zu höheren Stack-Produktionserträgen und niedrigeren Kosten sowie einer verbesserten Stack-Lebensdauer.

© WL Gore & Associates

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Rohstoffversorgung. Nur wenige PEM-Hersteller haben etablierte, bewährte und zuverlässige Lieferketten für Rohstoffe, die auf umfangreichen F&E-Kooperationen und sicheren Handelspartnerschaften mit Unterlieferanten basieren.

Noch schwieriger ist es, Lieferanten zu finden, die Hochleistungs-PEM in den Mengen herstellen können, die für die Nachfrage der Industrie erforderlich sind. Gore versteht dies als entscheidend für den Erfolg und nutzt seine ePTFE-Verstärkungskompetenz und globalen Netzwerkressourcen, um die Versorgungssicherheit, Prozessstabilität und Qualitätskonsistenz in großem Maßstab zu gewährleisten.

Brennstoffzellentechnologie für den Güterverkehr und darüber hinaus wirtschaftlich nutzbar machen

Heute wird die Brennstoffzellentechnologie in FCEVs für Personenkraftwagen effektiv entwickelt, eingesetzt und getestet. Großartige Neuigkeiten, denn diese Fortschritte und Erkenntnisse ebnen den Weg für die vielen Vorteile der PEM-Technologie in anderen Sektoren der Transportindustrie. Brennstoffzellentechnologie auch für die Güterverkehrsbranche wirtschaftlich nutzbar machen.

Entwickler von Brennstoffzellensystemen in kommerzieller Anwendung suchen nun nach ähnlichen kooperativen Modellen, um ihre Technologie basierend auf Fortschritten in der PEM-Technologie von Gore zu skalieren.

Und die Vorteile liegen auf der Hand – Lkw, die mit sauberem Wasserstoff betrieben werden, können leichtere Brennstoffzellenstacks verwenden, was ihnen eine größere Nutzlastkapazität und verbesserte Effizienz verleiht, was zu reduzierten Gesamtbetriebskosten führt, entscheidende Leistungsindikatoren in einer hart umkämpften Branche.

Zusammenfassend glauben wir, dass Ingenieure von Brennstoffzellen-Stacks mit Experten für Membrantechnologie zusammenarbeiten müssen, um die Kommerzialisierungsanforderungen für PEM, Stacks und Systeme für FCEVs in drei großen Kategorien zu erfüllen: zuverlässige Leistung, fachmännischer technischer Support und Versorgungssicherheit – was Automobilherstellern aller Art ermöglicht um für eine wasserstoffbetriebene Zukunft gerüstet zu sein.

Wenn Sie mehr über Gore und GORE-SELECT erfahren möchten® Membrantechnik, besuchen Sie bitte https://www.gore.com/alt-energy.

WL Gore & Associates

WL Gore & Associates, ein unterstützendes Mitglied des Hydrogen Council, ist ein globales Materialwissenschaftsunternehmen, das Industrien verändert und Leben verbessert. Im Laufe seiner Geschichte hat Gore komplexe technische Herausforderungen in den anspruchsvollsten Umgebungen gelöst – vom Weltraum über die höchsten Gipfel der Welt bis hin zum Innenleben des menschlichen Körpers. Es erwirtschaftet derzeit mit mehr als 12.000 Mitarbeitern einen Jahresumsatz von $4,5 Milliarden.

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