Entwicklung von PEM- Brennstoffzellensystemen mit Hochtemperaturmembranen

Förderinstitution:BMBF/PtJ - EBBA 4
Arbeitsgruppe:Energietechnik
Bearbeiter:Dipl.-Ing. Jörg Nitzsche
E-Mail:joerg [dot] nitzscheatiwtt [dot] tu-freiberg [dot] de

Die Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Brennstoffzellentechnologie hat in den letzten Jahren deutliche Fortschritte und Innovationen zu verzeichnen. Neue Ergebnisse aus der Grundlagenforschung führen zu Innovationen bei Verfahren und Produkten. Eine der herausragenden Fortschritte ist die Entwicklung der Hochtemperaturmembran für PEMFC. Diese Membranen weisen zwei wesentliche Vorteile gegenüber den bisher verwendeten auf:

  • Sie besitzen eine höhere Toleranz gegenüber Kohlenmonoxid.
  • Die Befeuchtung der Prozessgase verliert durch den höhere Arbeitstemperatur (> 120 °C) an Bedeutung.

EBBA 4

 

 

 

 

 

 

Bild 1: Systemvereinfachung durch Hochtemperatur-PEM

Bild 2: Inhouse5000 Mit der neuen Membrantechnologie entfallen die aufwendige, für den Wirkungsgrad schädliche Prozessstufen der Kohlenmonoxid-Feinreinigung und die zusätzliche Befeuchtung der Prozessmedien. Ergebnis sind der Wegfall oder die Veränderung von Prozessstufen sowie die Steigerung des Wirkungsgrades und eine wesentlich verbesserte Kaltstartfähigkeit.

Andererseits werden die Anforderungen an Materialien, an Systemkomponenten und die energetische Kopplung der Prozessstufen wesentlich verändert. Bisher eingesetztes DI-Wasser für die Kühlung des Stack und die Konditionierung der Gase kann nicht mehr verwendet werden. Eine Kondensation von Feuchtigkeit im Brennstoffzellenstack muss unbedingt verhindert werden. Das Verbundvorhaben wird von klein- und mittelständischen Unternehmen sowie wissenschaftlichen Einrichtungen bearbeitet, die in bereits erfolgreich abgeschlossenen Projekten das Brennstoffzellenvorseriengerät "inhouse4000" entwickelt haben. Dabei obliegt im aktuellen Vorhaben:

  • dem Partner Schalt- und Regeltechnik Berlin die Stackentwicklung (thermische und chemische Langzeitstabilität des Stack inkl. Periperie, CO-Tolerenz der MEA sowie Sicherstellung eines kondensationsfreien Betriebs)
  • dem Partner Deutsches Brennstoff Institut die Weiterentwicklung des Systembrenners und des Abgassystems sowie Untersuchungen zur Kopplung mit einer Kälteanlage
  • dem Partner Universität Magdeburg die Entwicklung einer verteilten und vernetzten Intelligenz inkl. Kommunikation
  • und schließlich der TU Bergakademie Freiberg, Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik die für die konstruktive Gestaltung des Gasaufbereitungssystems und der Systemsteuerung verantwortlich zeichnet.

Die Umsetzung der vorgenannten Innovationen muss zu einer Verbesserung der Gesamtperformance des Systems führen, die sich in folgenden Parametern ausdrückt:

  • Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades auf 38%
  • Senkung der Produktionskosten um 35%
  • Senkung der Baugröße um 25%
  • unter Beibehaltung der bisher erreichten Lebensdauer der Komponenten.