Labor für Brennstoffzellentechnik
Das Labor stellt sich vor
Die Energiewende zu einer CO2-neutralen Wirtschaftsweise bringt spannende Fragestellungen zur Speicherung der erneuerbaren Energien mit. Eine Möglichkeit ist die Nutzung von grünem Wasserstoff, der mittels Elektrolyse- und Brennstoffzellen umgesetzt wird. Die Effizienz und die Kosten der elektrochemischen Energiewandlung mit Wasserstoff sind allerdings noch verbesserungswürdig.
Um Lösungen für diese Herausforderung zu entwickeln, wurde am Fachbereich 2 der Frankfurt University of Applied Sciences das Labor für Brennstoffzellentechnik aufgebaut. Ein Team, das sich aus mehreren studentischen Hilfskräften, im Rahmen von Studienarbeiten tätigen Studierenden, einem Wissenschaftlichen Mitarbeiter und Prof. Dr.-Ing Enno Wagner zusammensetzt, erforscht nun die wichtige und zukunftweisende Elektrolyse- und Brennstoffzellen-Technologie und bringt sie in unterschiedlichen Projekten zur Anwendung.
Unser Labor im Überblick
Für Forschungsarbeiten stehen mittlerweile ein umfangreiches verfahrenstechnisches Equipment mit verschiedensten Messtechniken und modernste wissenschaftliche Analysemethoden zur Verfügung.
Erzeugungsanlage für (grünen) Wasserstoff
Herzstück des Labors ist die Erzeugungsanlage für Wasserstoff, mit der (bei Verwendung von erneuerbarem Strom) grüner Wasserstoff produziert werden kann. Als wesentliche Komponente kommt ein Druck-Elektrolyseur mit einer Polymer-Electrolyte-Membrane (PEM) zum Einsatz, mit der reinstes Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Das Wasser wird in einem Behälter bevorratet und mit einer Pumpe durch den Elektrolyseur gepumpt. Ein Ionenaustauscher stellt die Wasserqualität sicher. Der produzierte Sauerstoff kann in dem Behälter mit einem Gasdruck von bis zu 4 bar vorgehalten und für Brennstoffzellen-Versuche zur Verfügung gestellt werden. Der Wasserstoff gelangt zunächst über einen Wasserabscheider und dann in einen Druckbehälter. Es besteht eine Vorrichtung zum direkten Befüllen von Druckgasflaschen mit bis zu 50 bar. Über einen Druckminderer kann der Wasserstoff zu Brennstoffzellen-Versuchen geleitet werden. Die gesamte Anlage ist mit Druck- und Temperatursensoren sowie mit Strom- und Spannungsmessungen ausgestattet und kann mit einer in LabView programmierten Benutzeroberfläche und einem PC gesteuert werden. Ein automatisierte Messwertaufzeichnung ist hiermit ebenfalls gegeben.
Alkalische Druckelektrolyse (AEL)
Aktueller Forschungsgegenstand ist ein alkalischer Druckelektrolyseur (AEL) für die Charakterisierung von Elektroden und Membranen. Hierzu wird in einem Druckbehälter Kalilauge (KOH) als flüssiger Elektrolyt bevorratet, die über ein Badthermostat mit Thermal-Öl auf bis zu 120°C aufgeheizt werden kann. Eine leistungsstarke drehzahlvariable Pumpe befördert die Lauge in den Elektrolyseur. Eine Vielzahl von Temperatursensoren überwachen den Elektrolytkreislauf. In der Elektrolysezelle werden Gasdiffusionselektroden mit feinporigen Druckplatten auf ionenleitende alkalische Membrane gepresst. Aktuell kann Wasserstoffgas mit einem Druck von bis zu 30 bar erzeugt werden. Die Forschungsarbeiten finden im Rahmen einer Doktorarbeit statt. Bei kleinen und mittleren Stromdichten konnten bereits deutlich verbesserte Wirkungsgrade gegenüber der konventionellen PEM-Technologie erzielt werden.
Reversible alkalische Brennstoffzelle (AFC)
Eine Besonderheit des Labors ist eine reversible alkalische Brennstoffzelle (AFC), bei der flüssiger Elektrolyt (KOH) in einen schmalen Spalt zwischen die Elektroden gepumpt wird. Auf diese Weise ist es möglich, innerhalb von Sekunden zwischen Elektrolyse- und Brennstoffzellenmodus hin und her zu schalten. Mit der Verwendung von Gasdiffusionselektroden (GDE) lassen sich sehr hohe aktive Oberflächen erzeugen. Bei kleinen und mittleren Stromdichten konnten Speicherwirkungsgrade von bis zu 70 Prozent erzielt werden (im Vergleich zu rund 40 Prozent mit der PEM-Technologie).
Impedanzspektroskopie
Für die wissenschaftliche Charakterisierung von Elektroden und ionenleitenden Membrane steht ein hochwertiges Messgerät zur Aufnahme von Impedanzspektren zur Verfügung. Hierbei wird in einem breiten Frequenzband der Wechselstromwiderstand (Impedanz) der elektrochemischen Zellen aufgenommen. Die Darstellung von Amplitude und Phase über der Frequenz erlauben tiefgehende Interpretationen über den Membranwiderstand und die Aktivität der Elektroden.
Zyklo-Voltametrie
Ein weiteres hochwertiges Gerät repräsentiert eine Kombination aus Gleichstromquelle und elektronischer Last, sodass elektrochemische Zellen in vier Quadranten strom- oder spannungsgeführt belastet werden können. Mit einer speziellen Programmsteuerung können auf diese Weise die Katalysatoren in den Elektroden analysiert und aktiviert werden.
Raster-Elektronen-Mikroskopie (REM)
Für die Untersuchung von hochporösen Elektrodenstrukturen oder Katalysatorpartikeln im Sub-Mikrometerbereich steht den Forschern ein Raster-Elektronen-Mikroskop (REM) zur Verfügung.
Impedanzmessgerät
- Bestimmung des Wechselstromwiderstandes in Abhängigkeit von der Frequenz und des Wechselstroms
Elektronische Last
- Prüfen von Batterien, Energiespeichern und Stromversorgungen
Netzgeräte
- Regelbares 900 W-Netzteil
- Programmierbare Schaltnetzgeräte
- Stabilisiertes Doppel-Netzteil
Laborrechner
- Selbsterstellte Labview-Prüfsoftware
Druckspeicher
- Elektrolytbehälter, max. 3 bar
- Wasserstoffbehälter, max. 45 bar
- Wasserstoffbehälter, max. 300 bar
Druckelektrolyseur
- Maximaler Wasserstoffdruck 40 bar
Weitere Geräte
- Temperatursensoren
- Drucksensoren
- Wasserstoffsensoren
- Manometer
- Magnetventile
- Druckregler
- Heizelektroden
Sie sind in einem Unternehmen oder einer Institution tätig und würden gerne mit uns kooperieren?
Sie studieren an der Frankfurt UAS und interessieren sich für eine Studien- oder Abschlussarbeit?
Sprechen Sie uns gerne an!
Aktuelle Forschung
Das Labor für Brennstoffzellentechnik beschäftigt sich mit der Forschungsfrage, ob Wasserstoff auch in kleinen smarten Geräten in Privathaushalten sinnvoll zum Einsatz kommen kann. Eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrades der elektrochemischen Energiewandlung steht hierbei im Vordergrund. Auch die konsequente Betrachtung der Energiewertigkeit und die Frage nach dem Zweck der Energienutzung werden fokussiert. Denn nur mit flexiblen, hocheffizenten und intelligent gesteuerten Systemen aus verschiedenartigen Energiespeichern wird man künftig dem tages- und jahreszeitlich stark schwankenden Stromangebot aus Wind- und Fotovoltaikanlagen begegnen können.
Wasserstoff als Lösung für die Energiewende?
Wasserstoff wird gegenwärtig – nicht nur in der Politik – eine Schlüsselrolle für die Energiewende zugeschrieben. Das vom Weltklimarat IPCC ausgegebene Ziel, die globale Erwärmung auf 1,5 Grad Celsius zu begrenzen, kann nur erreicht werden, indem die weltweiten Kohlendioxidemissionen bis zum Jahr 2030 halbiert werden und bis spätestens 2050 eine globale CO2-Neutralität erreicht ist. Ist Wasserstoff als Alternative zu fossilen Energieträgern das Element der Zukunft?
Eine Antwort auf diese spannenden Fragen finden Sie im Statement "Wasserstoff als Lösung für die Energiewende?" von Prof. Dr. Enno Wagner.
Hessisches Förderprogramm für Spitzenforschung – LOEWE: Verdichterstation für grünen Wasserstoff
Seit Anfang 2025 wird im Labor für Brennstoffzellentechnik zusammen mit Industriepartnern eine kompakte Verdichterstation für grünen Wasserstoff aufgebaut und erprobt. Im Rahmen eines vom Land Hessen geförderten LOEWE-Projektes haben wir hierfür einen leistungsstarken AEM-Druckelektrolyseur entwickelt und ein Stack mit 6 Zellen aufgebaut. Zur Leistungssteigerung auf zunächst 1 kW wurde ein Up-Scaling der aktiven Elektrodenfläche auf 100 cm² durchgeführt, wobei günstige Nickel-Elektroden unseres Projektpartners Gaskatel zum Einsatz kommen. Der Elektrolyseur kann Wasserstoff bei einem Druck von über 70 bar bereitstellen. Mit einem innovativen kompakten Wasserstoffverdichter unseres Projektpartners Sera erfolgt im zweiten Schritt die Hochdruckverdichtung auf 700 bar, sodass hiermit Brennstoffzellenfahrzeuge effektiv betankt werden können. Die Verdichterstation soll später vor allem in mittelständischen Betrieben, aber auch in Privathaushalten zum Einsatz kommen. Die Fördersumme der Hessen-Agentur beträgt rund 450.000 €.
Fahrrad mit Brennstoffzellenantrieb
Mobilitätswende an der Frankfurt University of Applied Sciences!
Bei der Entwicklung eines Lastenfahrads mit Brennstoffzellenantrieb fließen alle Fäden der Mechatronik zusammen und repräsentieren Kow-how und Komplexität von ingenieurwissenschaftlichen Themen der heutigen Zeit. Das Vernetzen der Systeme und die theoretische Erprobung unter realen Bedingungen stellen hohe Anforderungen an Lehrende und Studierende. Dieses Forschungsgebiet ist nicht nur spannend und aktuell, sondern bietet auch weitreichende Möglichkeiten für eine innovative Zukunft.
Hocheffiziente alkalische Elektrolyse- und Brennstoffzellen
Die aktuell favorisierten PEM Elektrolyse- und Brennstoffzellen weisen zwar hohe Stromdichten auf, doch in den Elektroden müssen die teuren Edelmetalle Platin und Iridium eingesetzt werden und es lassen sich nur mittelsmäßig gute Wirkungsgrade erzielen.
Ein Forschungsschwerpunkt des Labors befasst sich daher mit der Entwicklung und Untersuchung von Membranen für alkalische Elektrolyten, die mit deutlich günstigere Nickel-Elektroden arbeiten. Ein alkalischer Membran-Elektrolyseur erzeugt auf diese Weise (bei kleinen Stromdichten) Wasserstoff mit über 100 Prozent Wirkungsgrad, wobei auch Wärme zur Gasproduktion umgesetzt wird. Eine reversiblen alkalischen Brennstoffzelle mit Gasdiffusionselektroden und Elektrolytspalt zeigt ebenfalls hohe Speicherwirkungsgrade auf. Ziel der Forschungsarbeiten ist es nun, die Leistungsdichten so zu steigern, dass eine hocheffiziente und wirtschaftliche Verwendung in technischen Anwendungen möglich ist.
Chaos und Unordnung bei der Wasserstoffproduktion: Grundlagenforschung über die Entropie von Gasbläschen
Entropie ist eine ganz besondere Energie, die oft selbst von Wissenschaftler*innen kaum verstanden wird. Normalerweise berechnet man hiermit die Verlustwärme, die bei thermischen Prozessen entsteht. Nun hat unser Labor ein Verfahren gefunden, mit dem man aus Kamerabildern von Wasserstoffbläschen deren Unordnung und damit die freiwerdende Entropie und Information berechnen kann. Mit diesen Kenntnissen kann die Effizienz von künftigen Elektrolyseuren deutlich gesteigert werden. Eine 3D-gedruckte Flussstruktur wurde bereits zum Patent angemeldet und das Messprinzip in einer wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht.
Die Brennstoffzelle als Thema im Studium
Erneuerbare Energien und Elektromobilität stellen ganz neue Anforderungen an die Ausbildung von angehenden Ingenieurinnen und Ingenieuren. Die reine mechanische Konstruktion des klassischen Fahrzeug- und Maschinenbaus tritt hierbei in den Hintergrund.
Elektronik und Informationstechnik, in Kombination mit Thermodynamik und Elektrochemie, ergeben neue Schnittmengen. Batterien und Brennstoffzellen bilden innovative technologische Schwerpunkte.
Mit dem Bachelor-Studiengang Mechatronik, dem Masterstudiengang Mechatronik und Robotik sowie dem Wahlpflichtmodul Thermotronik der Brennstoffzelle bereiten wir die Studierenden optimal auf die Arbeitswelt von morgen vor.
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