Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen Teil 9.3.1

Teil 9.3.1 | PEM-Brennstoffzelle

Die Protonen-Austausch-Membran-BZ (PEM-FC = engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cell; auch Polymer-Elektrolyt-Membran-BZ genannt), ist bisher die am weitesten verbreitete Brennstoffzelle. Ihr werden die besten Entwicklungsaussichten zugesprochen. Dies gilt speziell fĂŒr den mobilen Bereich (Kfz-Sektor), wo es insbesondere auf Dynamik und hohe Leistungsdichte ankommt.

Die PEM-Brennstoffzelle ist auf die Zufuhr von Wasserstoff angewiesen. Sollen andere Kraftstoffe genutzt werden, wie etwa Erdgas, Kohlegas, KlĂ€rgas, Biogas oder Methanol, mĂŒssen ein Reformer und eine Entschwefelung vorgeschaltet werden, was in Bezug auf den Wirkungsgrad wenig attraktiv ist.

Die Niedertemperatur-PEM (NT-PEM) arbeitet bei Temperaturen von 80 bis 100 °C. Diese Temperatur ermöglicht die Auskopplung von NutzwĂ€rme auf niedrigem Niveau, weswegen diese PEM auch fĂŒr den Einsatz als Blockheizkraftwerk zur dezentralen Energieversorgung im kleinen und mittleren Leistungsbereich durchaus geeignet ist.

Neben der Niedertemperatur-PEM gibt es auch noch die Hochtemperatur-PEM (HT-PEM, bis 160 °C), die aber trotz der höheren Temperatur noch zu den Niedertemperaturbrennstoffzellen zĂ€hlt. Hochtemperaturbrennstoffzellen arbeiten demgegenĂŒber bei 600 bis 1.000 °C, sind wegen der lĂ€ngeren VorwĂ€rmdauer jedoch nicht ganz so flexibel und können auch nicht so dynamisch betrieben werden.

PEM-Brennstoffzellen erreichen bereits nach kurzer Zeit ihre Betriebstemperatur, da die eigene AbwĂ€rme das System rasch aufheizt. Wird mehr oder weniger Strom abverlangt, so folgt die Brennstoffzellenspannung sehr schnell (0,1 Sek.) dieser LastĂ€nderung. Aufgrund dieses guten Lastwechselverhaltens und des hohen Wirkungsgrades im Teillastbetrieb sind Niedertemperaturbrennstoffzellensysteme schnell regelbar. Außerdem erreichen sie eine Leistungsdichte bis zu einem Watt pro Quadratzentimeter MembranflĂ€che. Dieser vergleichsweise hohe Wert ermöglicht eine kompakte Bauweise, weswegen sie so interessant sind fĂŒr die Anwendung in Fahrzeugen.

Abb. 38: Brennstoffzellen-Stack im GehÀuse
Stack.jpg

Der Festelektrolyt aus dĂŒnner Polymerfolie bildet das zentrale Element einer PEM-Einzelzelle. Dabei handelt es sich um eine hauchdĂŒnne, gerade mal 50 bis 200 Mikrometer dicke Folie. HĂ€ufig wird der Spezialkunststoff Nafion eingesetzt. Dieser zeichnet sich durch eine besondere LeitfĂ€higkeit fĂŒr die positiven LadungstrĂ€ger, die Wasserstoffionen, aus. Lange Zeit fĂŒhrten jedoch die aufwendigen Herstellungsverfahren fĂŒr diesen Polymerkunststoff zu einem relativ hohen Preis, der allerdings mittlerweile aufgrund eines grĂ¶ĂŸeren Wettbewerbs gesunken ist.

In diese Membran sind WassermolekĂŒle fest eingebunden. Steigt die Betriebstemperatur auf ĂŒber 100 °C, verdampfen diese MolekĂŒle und die Membran trocknet aus. Aber auch bei niedriger Temperatur fĂŒhrt die Zufuhr von Wasserstoff auf der einen und Sauerstoff auf der anderen Seite zu einem schleichenden Verlust der eingelagerten WassermolekĂŒle, so dass die Membran altert. Um dies zu verhindern, wird erstens der gesamte Stack gekĂŒhlt, und zweitens werden die zugefĂŒhrten Medien (H2 und Luft) mit eigens installierten Komponenten befeuchtet.

Der Wasserstoff auf der Anodenseite und die Luft auf der Kathodenseite werden ĂŒber Bipolarplatten zugefĂŒhrt. Zu deren Herstellung sind Materialien notwendig, die eine gute elektrische sowie eine gute thermische LeitfĂ€higkeit besitzen und außerdem eine hohe Haltbarkeit unter den gegebenen Betriebsbedingungen sicherstellen. Mitunter werden die Bipolarplatten aus hochkonzentriertem Graphit hergestellt, das zwar die genannte Voraussetzung der guten elektrischen LeitfĂ€higkeit besitzt, allerdings spröde ist und bei unvorsichtiger Handhabung (ungleichmĂ€ĂŸiges Anziehen der Schrauben) leicht zerbricht. Alternativ dazu gibt es auch metallische Bipolarplatten.

FĂŒr eine gute ZuverlĂ€ssigkeit und hohe LeistungsfĂ€higkeit ist das Flow-field der Bipolarplatten von zentraler Bedeutung, weshalb zahlreiche verschiedene Fertigungsverfahren erprobt werden. So kommen Verfahren zum Einsatz, bei denen das Flow-field (die GĂ€nge fĂŒr Wasserstoff bzw. Sauerstoff) durch Extrusion, Pressen oder Spritzgießen erzeugt wird. Oder aber es werden Platten aus Kohlenstofffasern verwendet, bei denen die GĂ€nge in die einige Millimeter dicke Rohform eingeprĂ€gt werden und eine chemische Nachbehandlung fĂŒr die notwendige LeitfĂ€higkeit sorgt.

In der Anfangszeit der Entwicklung bereitete insbesondere der Betrieb bei niedrigen Temperaturen erhebliche Probleme, weil bei Minustemperaturen das in den Zellen enthaltene Wasser drohte, sie zu beschÀdigen. So war anfangs ein Betrieb bei -20 °C unmöglich. Hier hat die Forschung jedoch bereits verschiedene Lösungsmöglichkeiten aufgezeigt.

Die Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen können bei Temperaturen von 130 bis 160 °C arbeiten. Diese höhere Temperatur hat den Vorteil, dass die Zelle toleranter gegenĂŒber Brennstoffverunreinigungen ist. Möglich macht dies der Kunststoff Polybenzimidazol (PBI), der bereits 1983 fĂŒr die NASA entwickelt, aber erst Anfang dieses Jahrhunderts fĂŒr die Brennstoffzellentechnik wiederentdeckt wurde. Das schwarze Material ist bekannt als temperaturstabile Textilfaser fĂŒr Schutzkleidung und zeigt eine gute LeitfĂ€higkeit fĂŒr Protonen. Derartige mit PhosphorsĂ€ure (H3PO4) getrĂ€nkte Polymermembranen aus aromatischen Monomereinheiten können drucklos bis 200 °C betrieben werden, weil sie nicht austrocknen. PhosphorsĂ€ure verfĂŒgt nĂ€mlich ĂŒber einen höheren Siedepunkt als Wasser und kann somit dessen Funktion als Elektrolyt ĂŒbernehmen. Damit das auf der Kathodenseite entstehende Produktwasser nicht die PhosphorsĂ€ure auswĂ€scht, wird die Elektrode einseitig mit einer wasserabweisenden Substanz beschichtet.

Bei PBI-Membranen kann eine aufwendige Nachreinigung der Brenngase entfallen. Außerdem ist kein Wassermanagement notwendig. Sowohl die WasserkĂŒhlung als auch die Befeuchter werden hier nicht mehr benötigt, was zu einer signifikanten Vereinfachung und Verkleinerung des gesamten Systems fĂŒhrt. Dies fĂŒhrt wiederum zu einer Kostenreduktion.

UnabhĂ€ngig von diesen Weiterentwicklungen mĂŒssen jedoch Gewicht, GrĂ¶ĂŸe und Kosten der Brennstoffzellensysteme immer noch weiter reduziert werden, damit sie zukĂŒnftig mit herkömmlichen Energiewandlern konkurrieren können.

Die in PEM-Brennstoffzellen verwendeten Katalysatoren erfordern eine relativ hohe Brenngasreinheit. WĂ€hrend Hochtemperaturbrennstoffzellen einen gewissen Prozentsatz an Verunreinigungen vertragen können, tolerieren Niedertemperaturbrennstoffzellen Kohlenstoffmonoxid nur in sehr geringen Mengen, da dieses als sogenanntes Katalysatorgift wirkt. Die Toleranzgrenze liegt bei etwa 10 bis 100 ppm (10 bis 100 CO-Teilchen pro eine Million Wasserstoffteilchen). Die Empfindlichkeit von PEM-Modulen gegenĂŒber CO beruht auf der Blockierung der Platinbelegung an der Anode, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit und somit die Zellspannung sinkt. Das hat wiederum zur Folge, dass der elektrische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle abnimmt. Dieser Effekt ist vergleichbar mit dem Einatmen von CO beim Menschen: Die CO-MolekĂŒle lagern sich an den PlatinmolekĂŒlen an und behindern so die Reaktion mit Sauerstoff (Wasserstoff).

Die Platinkatalysatoren frĂŒherer PEM-Brennstoffzellen vertrugen lediglich 10 bis 20 ppm CO im Brenngas. Reformierungsprozesse fĂŒhrten jedoch zu einem CO-Gehalt im Brenngas von 0,1 bis 0,2 Prozent, was deutlich zu viel war. Durch einen Rutheniumzusatz zum Katalysatormaterial (40 bis 60 Prozent) konnte der Grenzwert auf bis zu 100 ppm angehoben werden. Weitere Möglichkeiten, die Toleranzgrenze hochzusetzen, sind eine höhere Zellentemperatur und die ZufĂŒhrung von Sauerstoff.

Auch andere Bestandteile des Brenngases sind in ihrer Menge zu beschrĂ€nken. Der Methangehalt beispielsweise sollte 100 ppm nicht ĂŒberschreiten, weil es ansonsten ebenfalls Probleme mit der Membran geben könnte. Diese EinschrĂ€nkung ist vornehmlich fĂŒr Biogase wichtig.

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

Die Technik von gestern, heute und morgen

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen. Bewusst leicht verstÀndlich gehalten und beschrieben. Es soll technikinteressierten als ein umfangreiches Literaturverzeichnis dienen.

Die grundlegend ĂŒberarbeitete Neuauflage unseres Buches zu diesem Thema ist hier erhĂ€ltlich. Aktuelle Entwicklungen wurden ergĂ€nzt, Überholtes entfernt. Neben den jĂŒngsten Trends vermittelt dieses Buch – wie schon seine VorgĂ€nger – die grundlegenden physikalischen ZusammenhĂ€nge, denn diese gelten ja bei allem Wandel nach wie vor.

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