Projektstart: Entwicklung eines Mehrwege-Kathodenventils für Brennstoffzellensysteme

Brennstoffzellensysteme sind komplexe Gebilde und entsprechend teuer in der Herstellung. In mobilen Anwen­dungen sollen sie zudem möglichst leicht sein. An vielen Stellen lassen sich da noch Stellschrauben drehen, um Brennstoff­zellen­systeme günstiger, leichter und langlebiger zu machen. Als eine dieser Schrauben haben das ZBT und der Automobil­zulieferer Rheinmetall-Pierburg die Ventile auf der Kathodenseite, also der Sauerstoffseite von Brennstoff­zellen identifiziert.

Im Rahmen des kürzlich gestarteten Verbundvorhabens M-KaV wird deshalb nun ein funktionsintegriertes Mehrwege­ventil für den Kathodenpfad von Brennstoff­zellen­systemen entwickelt. Ein solches Ventil würde eine weitreichende Reduzierung der notwendigen Ventile im Kathodenpfad erlauben und so weitere Vorteile mit sich bringen:

• Reduzierung der notwendigen Verschlauchungen und Verkabelungen
• Verminderung des Montageaufwands
• Vereinfachtes Packaging und verringerter Bauraum
• Verkürzung der Medienwege und damit Reduzierung der Strömungsverluste
• Geringerer Materialeinsatz mit Gewichtsreduzierung, niedrigere Gesamtkosten
• Verlängerung der Lebensdauer

Spezifische Herausforderungen bei der Entwicklung resultieren aus der engen Interaktion von Ventil und Brennstoffzelle. Hieraus entstehen besondere Belastungen für das Ventil und gleichzeitig besonders hohe Anforderungen an die Materialauswahl, da Auswaschungen aus dem Ventil gravierende Folgen für den Brennstoffzellenbetrieb haben könnten. Um dieses Risiko zu minimieren, umfasst das Vorhaben umfangreiche Materialstudien und die Entwicklung geeigneter Prüfzyklen.

Das übergeordnete Ziel des Projekts ist die Entwicklung des Ventils für den Einsatz in verschiedenen Brennstoffzellensystemen, wie PEM, SOFC und AFC. Das Ventil soll für das jeweilige System anpassbar sein. Damit sollen Investitionskosten und Instandhaltungskosten gesenkt werden, um wiederum der Wettbewerbsfähigkeit von Brennstoffzellen einen weiteren Schub zu geben.

Projektziele für uns am ZBT sind:

• Entwicklung eines Mehrwegeventils zur Regelung der Luft- und Abluftmassenströme im Kathodenpfad einer Brennstoffzelle
• Integration mehrerer Funktionen in einem Stellglied
• Validierung eines Simulationsmodels des Ventils und Simulation des BZ-Gesamtsystems mit integriertem Ventil
• Identifizierung geeigneter Materialien für den Brennstoffzellenbetrieb mit dem Schwerpunkt Lebensdauer
• Testbetrieb mit Fokus auf Dichtheit/Diffusion
• Nachweis des Dauerbetriebs unter brennstoffzellentypischen Bedingungen
• Reduzierung des Material- und Ressourceneinsatzes sowie der Produktionskosten

Im Rahmen des Programms „Maßnahmen der Forschung, Entwicklung und Innovation im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Phase II“ des Bundesministeriums für Digitales und Verkehr (BMDV) werden neue Lösungen entwickelt, um den CO₂-Ausstoß im Mobilitätssektor weiter zu verringern, Brennstoffzellensysteme im Hinblick auf Lebensdauer zu verbessern und Kosten zu reduzieren.

NIP II – FuE – Verbund: Mehrwege-Kathodenventil
Teilvorhaben: Simulation Systemdynamik und Materialqualifizierung (M-KaV)

Gefördert durch: Bundesministerium für Digitales und Verkehr
Förderkennzeichen: 03B11038B
Projektlaufzeit: 1.12.2023 – 30.11.2026

Abteilung Brennstoffzellensysteme