Entwicklung eines generischen Brennstoffzellen-Stacks

Damit die Brennstoffzelle als Technologiealternative für Antriebe und Stromerzeugung wettbewerbsfähig wird, müssen alle Komponenten und Subsysteme weitererforscht und -entwickelt werden. Zielstellung ist die Optimierung von Leistung, Lebensdauer, Wirkungsgrad und Kompaktheit der Zellen entsprechend je nach Anforderung des Einsatzgebietes. Hochleistungsbrennstoffzellen-Stacks sind komplexe Konstruktionen: Hunderte von Einzelzellen, bestehend aus Membran-Elektroden-Einheiten mit 10 Mikrometer dünnen Membranen, müssen mit Bipolarplatten mit knapp 1 Millimeter Bauhöhe und filigranen Gasverteilerstrukturen plus den Gasdiffusionslagen aufeinander abgestimmt und zu einem Stapel zusammengefügt werden. Bislang fehlte dafür eine universelle Forschungsplattform. Die wenigen Unternehmen, die komplette Brennstoffzellensysteme entwickeln, legen Betriebsdaten und Details zur Materialzusammensetzung aus Wettbewerbsgründen zumeist nicht offen. Das erschwert den Markteintritt für kleine und mittelständische Komponentenzulieferer.

Motivation

Im Auftrag der FVV entwickelte das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) ein Designkonzept für einen generischen Brennstoffzellen-Stack. Benötigt wird der Stack als Forschungs- und Testplattform, weil die Brennstoffzelle - speziell die als Fahrzeugantrieb verwendete Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC) - deutlich kostengünstiger werden muss, um am Markt erfolgreich zu sein. Dafür wiederum muss die Leistungsausbeute pro Zelle weiter gesteigert werden. Das ist nicht nur eine Frage der Zellen selbst, sondern der Optimierung des Gesamtsystems. Die Brennstoffzellen-Peripherie hat nicht nur entscheidenden Einfluß auf die Leistungsfähigkeit der Zellen, sondern auch auf deren Lebensdauer. So kann eine ungleichmäßige Verteilung des Wasserstoffs an den Zellmembranen zu einer vorzeitigen Alterung führen. Und Schadstoffe in der angesaugten Luft haben zur Folge, dass das Katalysatormaterial - meist hochwertiges Platin - vorzeitig degradiert. Ein besserer Wissensstand über den Zusammenhang zwischen Schadstoffeintrag, Filtrierung und Alterungsverhalten kann dazu beitragen, die benötigte Menge des kostbaren Edelmetalls zu verringern. Das Problem bei der Entwicklung von Filtern, Kompressoren, Dichtungen und anderen Komponenten: Getestet werden können sie bislang nur an kommerziell erhältlichen Brennstoffzellen-Systemen. Genau hier setzt das von der FVV mit Eigenmitteln geförderte Forschungsvorhaben an.

Methodik

Zunächst musste eine grundlegende Frage geklärt werden: Welche Anforderungen bestehen an Leistung und Abmessungen einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle, um möglichst viele spätere Anwendungen abzudecken? Mit einer Umfrage unter den FVV-Mitgliedsunternehmen holten die Forscher zunächst ein Meinungsbild ein, das dann im Arbeitskreis intensiv diskutiert wurde. Die geforderte hohe Leistungsdichte kann nach Meinung der Experten nur mit metallischen Bipolarplatten erfüllt werden. Nach dieser grundlegenden Entscheidung entwickelte das ZSW ein Designkonzept, das beispielsweise die Aktivfläche pro Zelle und die Anzahl der Zellen definiert und vor allem nicht mit bereits geschützten Designs in Konflikt gerät. Anhand erster Simulationen konnte das Konzept erfolgreich validiert werden.

Ergebnis

Die Größe und das Design des entwickelten Stack-Konzepts entspricht z.B. im Hinblick auf die Leistungsdichte den heute im Automobilbereich eingesetzten Systemen. Das Stackmodul ist so konzipiert, dass sinnvolle Tests im Kurz- und Langstackformat möglich sind, z.B. durch Modularisierung auf einen 10-Zellen-Stapel. Verschiedene Konfigurationen, z.B. Co-/Counter-Flow, sind dabei möglich. Eine Marktübersicht über kommerziell verfügbare Stacks wurde ebenfalls erstellt. Die Machbarkeit in Bezug auf die verfügbaren Herstellungsverfahren wurde geprüft und die Auslegung der Brennstoffzelle berücksichtigt. Das entwickelte Stackkonzept ist für eine Leistung von bis zu 150 kW geeignet. Es beinhaltet die Kanaldimensionierung, die per CFD-Zellmodellierung ermittelt wurde, die Kanalsteggeometrie sowie ein Verteiler- und Dichtungskonzept für die Bipolarplatte und weitere Komponenten. Die komplette Konstruktion eines generischen Stacks könnte Gegenstand eines Folgeprojektes sein.

Dokumentation

Generischer Brennstoffzellenstack | Konzeption einer generischen Brennstoffzelle, die eine Vergleichbarkeit der vorwettbewerblich erzielten Forschungsergebnisse ermöglicht | Vorhaben-Nr. 1366

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