Elektromobilität Brennstoffzellen - skalierbare Energiewandler

Brennstoffzellenfahrzeuge im Vergleich mit batterieelektrischen Fahrzeugen
Brennstoffzellenfahrzeuge im Vergleich mit batterieelektrischen Fahrzeugen

Brennstoffzellenfahrzeuge punkten im Vergleich zu rein batterieelektrischen Fahrzeugen mit großer Reichweite und schneller Ladezeit. Damit könnten sie eine attraktive Alternative sein. Aber es gibt ein großes Manko: die hohen Herstellungskosten der Batterie- und Brennstoffzellen. Ein wirtschaftlich tragbares Serienprodukt muss allerdings keine Zukunftsmalerei sein, wie die Tedatex Industrie GmbH zeigt.

Brennstoffzellenautos fahren sauber und ohne schädliche Emissionen – genauso wie Fahrzeuge mit batterieelektrischem Antrieb. In Zukunft können Verbraucher mit bezahlbarer und verfügbarer Energie aus Brennstoffzellen versorgt werden. Das sind elektrochemische Energiewandler, die aus Wasserstoff als Brenngas Strom, Wärme und Wasser erzeugen, leise und emissionsfrei. Wasserstoff lässt sich beispielsweise durch Elektrolyse aus regenerativer Stromerzeugung gewinnen.

Funktionsprinzip Brennstoffzelle

Der elektrochemische Prozess findet in der Membranelektrodeneinheit (MEA) statt, einem elektrochemischen Wandler, der eine kontrollierte elektrochemische Reaktion zulässt. Wasserstoff und Luft – Sauerstoff – reagieren in einer Zelle. Neben Strom werden Wärme und Wasser erzeugt. Man beachte die Aufteilung: Die Brennstoffzelle liefert die Leistung, der Tank die Reichweite – Systemeigenschaften, die für Batterien unerreichbar sind.

Auch ein Elektrolyseur ist ein elektrochemischer Wandler, der eine kon­trollierte elektrochemische Reaktion zulässt: In eine Zelle werden elektrische Energie und Wasser eingeleitet. Es entstehen Wasserstoff (Brenngas), Sauerstoff und Wärme.

Zellen- und Stapelaufbau betrachten

Membranelektrodeneinheiten bestehen aus einer gasdichten, protonenleitenden, semipermeablen Membran, einem darin eingelagerten Elektrolyten, auf jeder Seite mit einer katalytischen Schicht, den Elektroden, in Kombination mit einer Lage poröser Stoffe (Gasdiffusionslage, GDL). Eine Zelle besteht aus einer MEA bzw. MEA-Ebene, die zwischen zwei Stapelplatten eingebettet ist.Die stromleitende GDL verteilt einströmende Gase und leitet abströmende Restgase, Reaktionsprodukte sowie die anfallende Reaktionswärme ab.

Stand der Technik

Brennstoffzellen sind in der Regel mit Stapelplatten ausgestattet, die als sogenannte Bipolarplatten bekannt sind. Diese werden zur Zeit ausschließlich mit taktgebenden Verfahren hergestellt, beispielsweise als

  • Bipolarplatten aus Spritzguss (kohlenstoffgeträgerte Kunststoff-BP) oder
  • Bipolarplatten aus hochlegierten Stahlfolien, mit Innenhochdruckumformung (IHU) und gasdichtem Schweißen verarbeitet.

Sowohl Kunststoff als auch Stahl sind kritische Stromleiter und reduzieren den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle durch einen hohen elektrischen Widerstand. So fließt der Strom nach dem bipolaren Prinzip in der Stapelachse und durch die Kühlebene bzw. das Kühlmedium. Ein weiterer Nachteil ist der konstruktive Konflikt, wenn offen auf der GDL aufliegende Mäanderkanäle und verbleibende Stege einer Bipolarplatte zu dimensionieren sind: Strom gegen Gasleitung. Die Größe der Reaktionsfläche einer Zelle ist dabei auf ungefähr 300 cm² begrenzt, um Ausgleichsströme aufgrund inhomogener Reaktionen in der MEA-Ebene zu vermeiden.

Skalierbare Serien-Brennstoffzelle ohne Bipolarplatte

Ausgehend von wirtschaftlichen Gesichtspunkten und Serienaspekten gelang es Entwicklern und Planern der Tedatex Industrie GmbH, eine vom Stand der Technik stark abweichende neue Brennstoffzellenlösung zu definieren und den Nachweis der wichtigsten theoretisch vorhergesagten Eigenschaften zu erbringen.

Kühl- und Medienmodul einsetzen

In der neuen, von Tedatex entwickelten Stapelplatte, dem sogenannten Kühl- und Medienmodul (KMM), sind alle stromführenden Funktionselemente und medienführenden Kanäle vorgesehen. In KMM werden Prozessgase und Kühlmedien geführt, während der Strom (Ladungen) in der Zellenebene der KMM fließt.

Der Schlüssel für diese Lösung ist der Einsatz metallischer Folien, spezieller Kunststoffe und Fügetechniken. Erst werden die Strukturen, die für die Medien- und Stromführung im KMM erforderlich sind, vorgefertigt und danach werden solche Werkstoffe und Halbzeuge zu einem Laminat verarbeitet. Bild 1 zeigt das Funktionsprinzip des Kühl- und Medienmoduls. Auf beiden Seiten eines derartigen Moduls mit einer Wasserstoff- (H2) und einer Sauerstoffseite (O2) ist eine Elektrodenabdeckung mit einem Feld feiner Mikrobohrungen angeordnet – jeweils für ein- und ausströmende Gase und Reaktionsprodukte. Die Mikrobohrungen sind mit innenliegenden Mikrokanälen für die Ein- und Ausströmung verbunden. Die Elektrodenabdeckung liegt auf der GDL auf und dient der Stromführung in der Zellenebene.