Flexibel konfigurierbare Prüfstände Wie sich Leistungsfähigkeit und Effizienz von Brennstoffzellen erhöhen lassen

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Die Brennstoffzelle gilt als eine vielversprechende Technik für eine nachhaltige Energieerzeugung. Was in einer Brennstoffzelle steckt und wie ein entsprechender Teststand aufgebaut sein sollte, verrät der Beitrag.

Die Förderung einer nachhaltigen Energiewirtschaft in Verbindung mit verschärften Vorschriften und Maßnahmen zur Reduzierung des CO₂-Ausstoßes hat zu intensiven Forschungsaktivitäten bei der Energieerzeugung und -umwandlung geführt. In diesem Zusammenhang hat sich die Brennstoffzelle sowohl für mobile als auch für stationäre Anwendungen als eine praktikable Lösung erwiesen.

In Brennstoffzellen wird die chemische Energie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff, durch eine elektrochemische Reaktion in Kontakt mit dem Oxidationsgas (meist Sauerstoff) direkt in elektrische Energie und Wärme umgewandelt. In der einfachsten Darstellung kann eine Brennstoffzelle als ein System von zwei Elektroden (Anode und Kathode) beschrieben werden, die durch einen Elektrolyten oder eine Membran getrennt sind.

Obwohl die Funktionsweise immer identisch ist, gibt es Unterschiede bei den verwendeten Materialien und dem Aufbau. Die Betriebstemperatur und weitere Eigenschaften der Zelle werden maßgeblich vom Elektrolyten bestimmt.

Bauelemente bestimmen die Funktion und die Einsatzmöglichkeiten

Der Katalysator erleichtert die chemische Reaktion und muss auf die betreffende Zelle zugeschnitten sein. Je größer die verfügbare Oberfläche, desto höher ist die Reaktionsgeschwindigkeit. Deshalb wird eine rauhe und poröse Oberfläche angestrebt. Als Ausgangsmaterial ist bisher Platin am besten geeignet, auch weil es eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Nachteilig wirken sich die hohen Materialkosten bei der Herstellung aus. Deshalb wird intensiv nach alternativen Materialien geforscht, die vergleichbare Ergebnisse bei geringeren Kosten bieten. Vielversprechende Ergebnisse konnten bereits mit mehrschichtigen Titanat-Nanopartikeln, Palladium-Verbindungen sowie Legierungen aus Nicht-Edelmetallen erzielt werden.

Die Polymer-Membran trennt die Elektroden elektrisch voneinander und verhindert, dass Wasserstoff und Sauerstoff direkt miteinander reagieren. Die Membran für den Protonenaustausch, auch als Proton Exchange Membrane (PEM) bezeichnet, erlaubt den Transport positiv geladener Teilchen von der Anode zur Kathode. Derzeit sind mit Phosphorsäure oder Perfluorsulfonsäure durchtränkte Polymere die am meisten verwendeten Materialien. Diese Stoffe gehören zu den Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS), die aus aktueller Sicht als gesundheitsgefährdend und umweltbelastend betrachtet werden. Deshalb ist es wichtig, alternative Materialien zu finden.

Mehrere Brennstoffzellen in Reihe verschaltet

Die erzeugte elektrische Spannung einer Brennstoffzelle hängt stark von der Art und den verwendeten Materialien ab und ist mit etwa 1 V_DC relativ gering. Zur technisch sinnvollen Nutzung werden deshalb mehrere Zellen gestapelt und zu einem sogenannten Stack in Reihe verschaltet. Mit diesen Stacks sind Ausgangsspannungen mit weit über 1.000 V möglich. Werden Einzelzellen gestapelt, kommen Bipolarplatten zum Einsatz, welche die Anode einer Zelle mit der Kathode der darauffolgenden Zelle mechanisch und elektrisch miteinander verbinden. Gleichzeitig werden durch Strömungsprofile (Flowfields) die Reaktionsgase zu den Elektroden geleitet.

Eine Bipolarplatte besitzt eine brennstoffführende Anodenseite und eine Kathodenseite auf der das Oxidationsmittel zugeführt wird. Bei der Materialauswahl für Bipolarplatten sind bestimmte Anforderungen zu berücksichtigen. Dazu gehören beispielsweise was die Korrosionsbeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit oder das Gewicht anbelangt.

Je nach Anwendung sind bestimmte Materialien besser geeignet. Die bisher verwendeten Materialien sind Graphit oder Kunststoffe mit leitfähigen Beschichtungen. Hinsichtlich des Wirkungsgrades und der besseren Eigenschaften bezüglich Korrosion rücken beschichtete Metallplatten immer mehr in den Vordergrund. Wie beim Katalysator besteht bei den Bipolarplatten noch ein beträchtlicher Forschungsbedarf, weil die Konstruktionsprinzipien noch nicht hinreichend definiert sind.

Die Gasdiffusionsschicht in einer Brennstoffzelle

Eine weitere wichtige Aufgabe für die einwandfreie Funktion einer Brennstoffzelle erfüllt die Gasdiffusionsschicht (Gas Diffusion Layer, GDL). Zum einen sorgt sie für eine homogene Zufuhr der Reaktionsgase und zum anderen für die Ableitung des bei der chemischen Reaktion anfallenden Wassers und regelt das Verhältnis von Wassereinlagerung und -abgabe. Eine Gasdiffusionsschicht besteht meist aus porösem, leitfähigem Kohlenstoffmaterial, das einseitig mit einer wasserabweisenden Schicht, beispielsweise aus Teflon, versehen ist.

Aufgrund der verschiedenen Variationsmöglichkeiten sind noch keine generellen Lösungen gefunden. So experimentieren Wissenschaftler weiterhin mit verschiedenen Werkstoffen und deren Eigenschaften in Bezug auf Permeabilität, Hydrophobie, elektrische Leitfähigkeit, mechanische Stabilität oder Wärmebeständigkeit.

Flexibel konfigurierbare Prüfstände für Brennstoffzellen

Obwohl das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle seit Jahrzehnten bekannt ist, gibt es noch viele Schwierigkeiten für großtechnische und umweltfreundliche Anwendungen. Der Aufbau einer Brennstoffzelle ist aufgrund der vielen verwendeten Materialien sehr komplex. Nur durch das optimale Zusammenspiel der einzelnen Komponenten kann eine Brennstoffzelle effizient arbeiten und eine hohe Leistung erzielen. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Testumgebung.

Die Prüfstände müssen so ausgelegt sein, dass eine genaue Analyse der Brennstoffzelle unter Einhaltung der geforderten Prüfkriterien möglich ist. Die Auslegung eines Prüfstandes erfordert daher immer eine Anpassung an das jeweilige Design sowie an die zu prüfenden Parameter des Prüflings. Darüber hinaus sollen die Testergebnisse für die Weiterverarbeitung zur Verfügung stehen und die einzelnen Testschritte jederzeit reproduzierbar sein.

Die Firma EKTechnologies bietet hochpräzise Messgeräte für die Forschung und Entwicklung von Batteriesystemen und Brennstoffzellen an. In Zusammenarbeit mit der Muttergesellschaft LXinstruments stehen alle notwendigen Geräte inklusive Zubehör für den individuellen Aufbau eines Prüfstandes zum Testen von Brennstoffzellen zur Verfügung. (heh)

Optisches Inspektionssystem

3D-Inspektion für Bipolarplatten bei der Brennstoffzelle

* Winfried Puschmann ist Technischer Redakteur bei LXinstruments.

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