NIP-Vollversammlung und Statusseminar Brennstoffzelle

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1 BMWi NIP-Vollversammlung und Statusseminar Brennstoffzelle HyMotion BMWi Fördervorhaben Berlin 02. Juni 201 Dr. Hübner AG 03ET208

2 Überblick HyMotion BMWi Brennstoffzellenstapel Budget: 19, Mio. / Förderug: 9,4 Mio. Laufzeit: 08/ /2016 (Ursprüngliche Planung) Partner: (Projektleitung, Stapelentwicklung) Solvicore (MEA) Umicore (Katalysator) Freudenberg (GDL, Dichtung) Elring Klinger (Bipolarplatte mit Sicke)

3 Relevanz / Ziele Relevanz für das 6. Energieforschungsprogramm - Energiepolitische Bedeutung Die Brennstoffzellenaktivitäten sind fester Bestandteil der VW Kraftstoffstrategie, die einen stufenweisen Übergang zu einer CO2 neutralen Mobilität unter Verwendung regenerativ gewonnener Kraftstoffen vorsieht. Das hier beschriebene Fördervorhaben hat das Ziel die Herstellungskosten von Brennstoffzellenstapeln gegenüber dem heutigen Standard zu reduzieren und liefert daher einen wesentlichen Beitrag die Kosten der Brennstoffzellentechnologie langfristig wettbewerbsfähig gegenüber dem Verbrennungsmotor werden zu lassen. Ziele des Vorhabens: Aufbau deutscher Zulieferlandschaft sowie Know How Aufbau für Brennstoffzellen Aufbau von eigener Entwicklungs- und Fertigungskompetenz für den Stapel und die Stapelbauteile bei Fokus auf langfristigen Technologiereife: Demonstration einer Platinbeladung von 0,1 mg/cm² (im Stapel 0,2 mg/cm²). Deutliche verbesserte Betriebsstabilität im Fahrzeug/Minimierung der externen Befeuchtung. Ausloten der Fertigungsgrenzen der Umformbarkeit bei der Herstellung der Bipolarplatten 03ET208 HyMotion Brennstoffzellenstapel BMWi

4 Arbeitspakete Arbeitspakete AP 1 - Festlegung der Bauteilspezifikationen AP 2 - Stapelkonstruktion Verantw. Partner AP 3 - Festlegung Messparameter/Bewertungskriterien AP 4 - GDL Anpassung an Stapel + Betriebsbedingungen (inkl. Simulation) AP - Korrosionsuntersuchungen Bipolarplatten AP 6 - Stapelaufbau und Montage AP 7 - Prüffeldbetrieb AP 8 - GDL Entwicklung und Herstellung AP 9 - Dichtungsentwicklung Freudenberg Freudenberg AP 10 - Katalysatorentwicklung AP 11 - MEA Entwicklung (angepasst an Stapelentwicklung) AP 12 - Bipolarplattenentwicklung und Fertigung Umicore Solvicore ElringKlinger AP 13 - Kostenanalyse AP 14 - Beurteilung Übertragbarkeitspotential AP 1 - Projektadministration alle alle Autovision

5 Arbeitsplanung Aktueller Status Aufbau EZ/Stapel (EZ) 10 (EZ) 10 (EZ) 10 (EZ) 10 (EZ) 100 (EZ) 10 (EZ) 23 (EZ) MEA MEA 0: 0, mg/cm²: MEA 1: 0,3 g/cm² MEA 2: 0,3 mg/cm²: MEA 3: 0,2 mg/cm²: MEA 4: 0,1 mg/cm²: Ex Situ Analyse + Simulation Wassermanagement GDL Flussfeld GDL WW Wassermanagement GDL-CCM WW 0 cm² Standard 0 cm² Laborzelle Flussfeld Automotive Laborzelle HM BMWi Laborzelle HM BMWi final Zeitplan sieht iterative Entwicklung der wesentlichen Stapelbauteile vor. Umsetzung des finalen Stapeldesigns ab

6 Aktuelle Status - Konstruktion Plastisches Materialmodell zur Optimierung des Stapelmechanik (VW) Integrierte metallgestützte Mikrodichtung auf der Bipolarplatte Design Freeze Bipolarplatte HM BMWi: 1/201 Aktuelle Aktivitäten: Bewertung Beschichtung Bipolarplatte Designbewertung Bipolarplatte Durchführung von Prägeversuchen

7 Aktuelle Status - GDL - Dichtung Simulation Wasserverteilung in GDL Simulation Flow Field GDL Wechselwirkung (Unterauftrag ZSW) GDL Materialien für optimierters Wassermanagement Dichtung auf Softgood-Seite Aktuelle Aktivitäten: Bewertung GDL Muster in Laborzelle Generierung von Ex Situ GDL Daten

8 HyMotion : MEA Entwicklung Projekt Start 08/ time Leistungsnachweis MEA 0 im Kurzstapel MS1 Leistungsnachweis MEA 1 im Kurzstapel, MS2 Leistungsnachweis MEA 2 im Kurzstapel liegt hinter der Zeitplanung, MS3 Teststandaufbau Flussfeldtestung MEA Integration MEA 0 0. mgpt/cm² MEA mgpt/cm² MEA mgpt/cm² MEA mgpt /cm² MEA 4 Konzept 0.1 mgpt /cm² Katalysator- integration Benchmark Katalysator Umicore Pt/C Umicore Legierungskatalysator MEA 2: Verdopplung der ORR Aktivität bei gleicher Pt-Beladung erzielt Aktuelle Aktivitäten: Evaluierung neuer Membrantechnologien MEA Integration in neue HyMotion Bipolarplatte Katalysatorauswahl für die MEA Generationen 3 und 4 8

9 Aktueller Status Schwierigkeiten Zellbetrieb mit trockenen Gasen führt zu erheblichem Leistungsverlust. Mit aktuellen Materialien Anpassung der Betriebsstrategie nötig. Lerneffekte (erwartet bzw. unvorhergesehen) Verwendung dünnerer Membranen und modifizierter GDLs können trockenen Betrieb stabilisieren.

10 Ausblick Verwertungsplan Im Rahmen des Projektes werden zwei Vollstapel aufgebaut, die im Hinblick auf eine mögliche Anwendung in einem zukünftigen Fahrzeugsystem hin getestet werden sollen. Das im Rahmen des Projektes aufgebaute KnowHow kann von den beteiligten Zulieferern nach Projektende für die Zusammenarbeit mit anderen an Kunden genutzt werden. VW geht von einem schrittweisen Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur zunächst in wenigen Metropolen aus, bis es schließlich zu einer alle Ballungszentren abdeckenden, flächendeckenden Versorgung kommen wird. Ein Massenmarkt von Brennstoffzellen erfordert ein dem Verbrennungsmotor entsprechendes Kostenniveau der Brennstoffzellentechnologie sowie das Vorhandensein von regenerativ erzeugten Wasserstoff. Zukünftige Arbeiten In 201 erfolgt die Weiterentwicklung und ualifizierung der HM MEA mit Beladungen bis zu 0,2 mg/cm², sowie die Bewertung der neuesten GDL Muster im Verbund mit dem neuen Flowfield. Erprobung der Sickendichtung und Durchführung von Prägeversuchen in Verbindung mit alternativen Beschichtungen. Erstellung der Prägewerkzeuge für die Bipolarplatte. Der Aufbau des ersten im Projekt entwickelten Vollstapel ist für das Frühjahr 2016 geplant.

11 Ausblick Notwendige Rahmenbedingungen für anstehende Herausforderungen Der Verbund ist seht gut aufgestellt, es gibt regelmäßige Abstimmungstreffen, monatliche Telefonkonferenzen und einen sehr guten direkten Austausch bei Klärungsbedarf, so dass die Rahmenbedingungen erfüllt sind, die Projektziele zu erreichen. Blick auf internationale Wettbewerber Die Firma Toyota plant bereits 201 einen Markteinsatz von Brennstoffzellenfahrzeugen auf Basis des Toyota Mirai, bis 2017 ist eine Stückzahlerhöhung auf 3000 Fahrzeuge pro Jahr geplant. Das Fahrzeug verfügt über einen selbstbefeuchtenden Brennstoffzellenstapel und hat eine Edelmetallbeladung im Bereich von 0,3 mg/cm². Dieses Konzept ist sehr fortschrittlich und richtungsweisend, ist allerdings noch nicht für einen Serieneinsatz im Massenmarkt ausgelegt. Die andere Hersteller sehen eine Kommerzialisierung im Zeitfenster nach 2020, sehen allerdings nach wie vor große Herausforderungen bei den Kosten, insbesondere bei niedrigen Edelmetallbeladungen in Verknüpfung mit Stabilitätsanforderungen.