Sustainable Hydrogen Technology as Affordable and Clean Energy

© DWIH Tokyo/iStock.com/JONGHO SHIN

Three projects with German partners have been selected in the call “Sustainable Hydrogen Technology as Affordable and Clean Energy” of the European Interest Group (EIG) Concert Japan (funding period FY2022 – FY2024).

Please find further information on the project titles, research leaders and project summaries (in German) below.

1) Structure-based metabolic engineering of algal H2 production (H2M)

Projektlaufzeit vorauss. 1.7.22-30.6.25  

(Japan) KURISU Genji, Osaka University, Professor
(Germany) Thomas HAPPE, Ruhr University Bochum, Professor
(France) Nicolas ROUHIER, Université de Lorraine, Professor
(Belgium) Remacle Claire, Université de Liège, Professor

In der Mikroalge Chlamydomonas reinhardtii erhalten chloroplasten-lokalisierte [FeFe]-Hydrogenasen (HYDA) Elektronen vom photosynthetischen Ferredoxin (FDX1). Der Hydrogenase-Typ der [FeFe]-Hydrogenasen katalysiert die Erzeugung von bis zu 10.000 H2-Molekülen pro Sekunde und Enzym und übertrifft damit chemische Katalysatoren. Ziel des Projekts ist es, Chlamydomonas so zu verändern, dass die Zellen die hohe Leistung dieser H2-bildenden Biokatalysatoren maximal nutzen können. Natürlicherweise produziert die Alge H2 mittels der Photosynthese unter Bedingungen, welche die photosynthetische O2-Produktion sowie die CO2-Fixierung beeinträchtigen. Obwohl die lichtabhängige H2-Produktion ein erstrebenswerter Prozess für die regenerative H2-Erzeugung ist, wird sie durch die Notwendigkeit der Photobioreaktor-Lichtdurchdringung und den Zellstress, der für die Induktion eines H2-Stoffwechsels erforderlich ist, eingeschränkt. Um diese Nachteile zu umgehen, soll stattdessen auf der fermentativen H2- Produktion aufgebaut werden. In Chlamydomonas erfordert die H2-Produktion im Dunkeln die chloroplastenlokalisierte Pyruvat:Ferredoxin-Oxidoreduktase (PFR1), die Pyruvat und Oxalacetat oxidiert und gleichzeitig FDX1 reduziert. Während bei dem natürlichen plastidären Dunkel-Prozess nur geringe Mengen an H2 entstehen, soll dieser H2-Stoffwechsel stattdessen in den Mitochondrien der Algen installiert werden. Diese Zellkompartimente haben von Natur aus einen niedrigen O2-Gehalt und ein niedriges Redoxpotential und stellen so die perfekte Umgebung für unsere O2-intoleranten Zielproteine.

2) Towards Safe Storage and Transportation of Cryogenic Hydrogen (STACY)

(Japan) TANAKA Hirohisa, Kwansei Gakuin University, Professor
(Germany) Ernst-Arndt REINECKE, Forschungszentrum Juelich GmbH, Head of the Safety Research Department
(France) Nabiha CHAUMEIX, Centre National de la Recherche Scientifique – Institut de Combustion, Aérothermique, Réactivité et Environnement, Deputy-Director
(France) Ahmed BENTAIB, Institut de Radioprotection et de sûreté Nucléaire, Expert

Projektstart vorauss. 1.7.22-30.6.25     

Das Gesamtziel des Projekts besteht darin, einen Beitrag zur Sicherheit von Speicherung und Transport von Flüssigwasserstoff (LH2) zu leisten. Spezifische Ziele sind hierbei

(1) die experimentelle Bestimmung grundlegender sicherheitsrelevanter Parameter der Wasserstoffverbrennung, die für sehr tiefe Temperaturen noch nicht verfügbar sind,

(2) die Entwicklung und Qualifizierung neuartiger Katalysatoren für katalytische Rekombinatoren zur Verhinderung der Bildung entzündlicher Gasgemische im Falle von LH2-Leckagen,

(3) die Anwendung fortschrittlicher numerischer Werkzeuge zur Untersuchung von Szenarien potenzieller Wasserstofflecks und zur Bewertung der Effizienz von Abhilfemaßnahmen

3) Japanese-European Research Collaboration of New Affordable and Durable Electrocatalysts for Fuel Cells (NADC-FC)

(Japan) KAKINUMA Katsuyoshi, University of Yamanashi, Professor
(Germany) Mehtap ÖZASlLAN, Technische Universität Braunschweig, Professor
(Switzerland) Arenz Matthias, University of Bern, Professor

Projektstart vorauss. 1.7.22-30.6.25

Das NADC-FC Forschungscluster zielt auf die Entwicklung neuartiger und verbesserter Brennstoffzellen-Elektrokatalysatormaterialien mit geringem Gehalt an Edelmetallen (platinum group metals, PGM) und hoher Nutzungsdauer ab. Das Cluster konzentriert sich insbesondere auf den Bereich der angewandten Grundlagenforschung mit dem Schwerpunkt erneuerbarer Energien. Der NADC-FC Cluster bietet eine breite, interaktive Plattform, auf der alle Partner zusammenarbeiten, sich austauschen, ihre im Cluster eigens entwickelten Materialien testen und optimieren können, indem sie harmonisierte Protokolle zur Alterung, sogenannte „Accelerated Stress Tests“ (AST), sowie moderne und komplementäre Techniken/Diagnosemethoden für Anwendungen in Brennstoffzellen gemeinsam nutzen. Ziel des Clusters ist es, die Auswirkung der PGM-Reduktion auf die katalytischen Eigenschaften und Robustheit unter dynamischen Betriebsbedingungen von Polymerelektrolytmembran (PEM)-Brennstoffzellen zu untersuchen. Harmonisierte AST-Protokolle werden in verschiedenen elektrochemischen Versuchsanordnungen angewendet, ausgehend von der rotierenden Ringscheibenelektrode (RRDE) über die Gasdiffusionselektrode (GDE) bis hin zur Katalysatorbeschichteten Membranen (CCM) in einem Brennstoffzellenprüfstand. Dieser Forschungsansatz wird dazu beitragen, die Eigenschaften (Aktivitäten, Lebensdauer) der hier im Cluster entwickelten Elektrokatalysatoren auf eine technologische und anwendungsnahe Ebene zu übertragen. Das angestrebte Know-how und der wissenschaftliche Austausch im Bereich der Energieforschung zusammen mit Japan und der EU werden zu einer verbesserten Brennstoffzellensystementwicklung ermöglichen.

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