Problematisch bei der Verbrennung von Ammoniak ist die Reaktionsträgheit. Ein interessanter Ansatz ist daher die vorgelagerte Teilkonversion von Ammoniak (NH₃) zu Wasserstoff, sodass aus der Mischung von NH₃ mit etwas H₂ eine geeignete Reaktivität erzielt wird. Dies ergibt zahlreiche Forschungsfragen: Verbrennungseigenschaften von NH₃ als Funktion des H₂-Anteils, laminare und turbulente Brenngeschwindigkeit, Flammenstabilitätsgrenzen und Schadstoffemissionen, sowohl atmosphärisch als auch unter Druck.

Die direkte Anwendung von Ammoniak in Energie- und Verkehrssystemen bringt die Herausforderung des schlechten Flammenverhaltens sowie der Emissionen von Stickoxiden (NO_x, N₂O) und unverbranntem Ammoniak mit sich. Eine vielversprechende Lösung ist das Teilspalten von Ammoniak, bevor es in die Verbrennungskammer eingeführt wird. Um die Verbrennungseigenschaften der gespaltenen Ammoniakgemische sowie des „unreinen“ Ammoniaks einschließlich des Flammenverhaltens und der Fremdzündung sowie der Emissionsprofile besser zu verstehen, wird in diesem Teilprojekt die Reaktionskinetik der Brennstoffe umfassend experimentell und theoretisch untersucht.

Es werden numerische Simulationsmethoden für die Ammoniak-Wasserstoff-Verbrennung mit einem CFD-Löser entwickelt. Neue kinetische Reaktionsmechanismen zur Beschreibung der Flammenstabilität und der Bildung von Schadstoffen, insbesondere NO_x, N₂O und unverbranntem Ammoniak, werden benötigt, um prädiktive und rechnerisch durchführbare Simulationen zu ermöglichen. Die Daten über die Reaktivität des NH₃-Gemischs mit teilweise freigesetztem H₂ und die Flammenzündung werden zur Bestimmung der zu untersuchenden Betriebsbedingungen ermittelt. Die Simulationen werden anhand experimenteller Daten für eine Reihe verschiedener Gemische, von 100% H₂ bis zu 100% NH₃, validiert.

Ziel der Arbeiten in diesem Teilprojekt ist die Synthese von neuartigen, edelmetallfreien Elektrokatalysatoren für die Anwendung in der Niedertemperatur-Direkt-Ammoniak-Brennstoffzelle (NT-DAFC) für die Ammoniak-Oxidationsreaktion (AOR). Als mögliche Materialklassen für die Elektrokatalysatoren werden zunächst Übergangsmetalle auf Kohlenstoff und Metall-Stickstoff-Kohlenstoffe (M-N-C-Katalysatoren) als Startmaterialien gewählt und erforscht.

Die Integration der endothermen Reaktion zur Zerlegung von NH₃ in oxidkeramischen Hochtemperatur-Brennstoffzellen (HT-DAFC) zur direkten elektrochemischen Nutzung erfordert eine belastbare Vorhersage des Temperaturprofils und der Reaktionsstromdichte entlang des Strömungsfeldes. Aufbauend auf einem vorhandenen Modell für die bislang verwendeten Brennstoffe (Wasserstoff, Methan, Methanol) wird hierfür eine zwei-plus-eindimensionale Modellierung einer direkt mit NH₃-betriebenen Festoxid-Brennstoffzelle angestrebt.

In diesem Teilprojekt werden diagnostische Untersuchungsmethoden auf die NT-DAFC angewendet. Ziel ist es, die einzelnen Beiträge der Überspannungen aufgrund der Kinetik (insbesondere der Ammoniak-Oxidationsreaktion, AOR) sowie der Ladungs- und Elektronentransportvorgänge auf Zellebene zu ermitteln. Durch ein besseres Verständnis der Prozesse in der Zelle sowie an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche lassen sich die Leistungsdichten der NT-DAFC langfristig erhöhen.

Ziel dieses Teilprojekt ist es, innovative Dünnschicht-Katalysatoren für die NT-DAFC zu identifizieren und zur Anwendung zu bringen. Dazu werden Katalysatorschichten direkt per Magnetronsputtern auf eine Gasdiffusionsschicht zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode (GDE) aufgetragen, um so sehr geringe und effizient genutzte Katalysatorbeladungen zu realisieren. Im Fokus steht die Ammoniakoxidationsreaktion (AOR), für die zunächst gängige Edelmetallkatalysatormaterialien in Form von Dünnschichtkatalysatoren hergestellt und materialwissenschaftlich und elektrochemisch charakterisiert werden.