Lösungen

Brennstoffzelle / Brennstoffzellentest

Was ist eine Brennstoffzelle?
Eine Brennstoffzelle wandelt als elektrochemische bzw. galvanische Zelle einen Brennstoff zusammen mit einem Oxidationsmittel in elektrische Energie und in ein oder mehrere Reaktionsprodukte um. Klassischerweise versteht man darunter die Wasserstoff-Brennstoffzelle, bei der Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel an einer katalytisch aktiven Membranschicht zu Wasser reagiert und ein elektrischer Strom zwischen Anode und Kathode fließt.

Warum Brennstoffzellen einsetzen?

Aktuell sind die Herstellungskosten noch sehr hoch, da keine flächendeckende Versorgung existiert, doch der Einsatz von Brennstoffzellen birgt trotzdem sehr viele Vorteile:

  • Keine mechanischen Verschleißteile
  • Abgase (Wasserdampf) sind ungefährlich für Mensch, Tier und Umwelt
  • Treibstoff kann aus regenerativen Energien gewonnen werden
  • Hoher Stromwirkungsgrad

  • Niedrige Betriebstemperatur

  • Sehr gute Dynamik und Skalierbarkeit

Welche Arten von Brennstoffzellen gibt es?

Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC)

Mit Betriebstemperaturen von 30-100°C gehören sie zu den Niedertemperatur-Brennstoffzellen. Der Elektrolyt ist nicht flüssig, sondern eine dünne Polymerelektrolytmembran. Für die Gewinnung elektrischer Energie aus Wasserstoff werden protonenleitende Membranen mit Edelmetallbeschichtungen auf beiden Seiten verwendet, die die Umsetzung zu reinem Wasser katalysieren.

Vorteile:

  • Keine Verschleißteile oder Abgase (außer Wasserdampf)
  • Treibstoff aus regenerativen Energien gewinnbar
  • Hoher Stromwirkungsgrad auch bei niedriger Betriebstemperatur
  • Gute Dynamik & Skalierbarkeit
  • Schnelle Betankung

Dieser Brennstoffzellentyp ist aktuell die dominierende Bauart für mobile Anwendungen und ist besonders für den Schwerlast- und Zugverkehr geeignet.

Wasserstoffbrennstoffzelle (AFC – alkaline fuel cell)

Die alkalische Brennstoffzelle ist eine Niedrigtemperaturbrennstoffzelle, deren Elektrolyt konzentrierte Kalilauge ist, wodurch sie eine hohe spezifische Leitfähigkeit hat.

Der Ersatz des flüssigen alkalischen Elektrolyten durch ebenfalls ionenleitende Membranen (AEM) (hier leitfähig für Hydroxidionen) führte zu einer Renaissance dieses ältesten Brennstoffzellentyps. Die Industriereife ist jedoch noch nicht vollständig erreicht.

Vorteile:

  • Billigste Zelltechnologie- kann ohne teure Katalysatormaterialien auskommen.
  • Die Direktumwandlung von z.B. Methanol, Format oder flüssigem Ammoniak ist mit AEM möglich.
Methanolbrennstoffzelle (DMFC – direct methanol fuel cell)

Besonders gut geeignet für netzunabhängige Stromversorgung beim Camping, für militärische Geräte oder entlegene Messstationen.

Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC – solid oxide fuel cells)

SOFC besitzen hohe System-Wirkungsgrade und können zur effizienten, dezentral organisierten Versorgungssicherheit mit Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt werden. Sie können mit unterschiedlichen Energieträgern wie Ammoniak und Wasserstoff, Biomasse oder synthetischen Kraftstoffen betrieben werden.

Biobrennstoffzellen

Hier werden lebende Mikroorganismen oder Enzyme zur Stromerzeugung eingesetzt. Mikroorganismen regenerieren sich selbst und können von vielen verschiedenen Substraten leben. Mit mikrobiellen Brennstoffzellen können die Schadstoffe abgebaut, auf die energieintensive Belüftung des Belebtschlamm-Beckens verzichtet und gleichzeitig Strom erzeugt werden.

Es gibt noch eine Vielzahl anderer Brennstoffzellen, deren ausführliche Beschreibung den hier verfügbaren Rahmen sprengen würden, wie z.B. Mikrobrennstoffzellen, reversible Brennstoffzellen, Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen, Phosphorsäurebrennstoffzellen und weitere.

Unsere Lösungen beim Brennstoffzellentest

Die Forschungsanstrengungen richten sich aktuell besonders auf die Steigerung der Strom- und Energiedichte. Diese Ziele können v.a. durch neue Materialen, optimierte Betriebsbedingungen und verbessertes Wärme- und Wassermanagement erreicht werden.

Teststände, die hierfür eingesetzt werden, bieten wir von unserem Partner Scribner an. Scribner gehört zu den führenden Firmen in der Brennstoffzellenforschung und bei Batterietestsystemen.

Das 850 Brennstoffzellen-Testsystem kann beispielsweise mit einer Leistungsfähigkeit von bis zu 100 A und einem Impedanzbereich von 1 mHz – 100 kHz aufwarten.

Als Komplettlösung erhältlich sind Teststände mit umfangreicher Ausstattung für das Gas-, Wasser- und Temperaturmanagement, allen vorgeschriebenen Sicherheitsvorrichtungen und elektrochemischer Analytik mit einer Leistung bis 500 W. Auch Membrantester, verschiedene Brennstoffzelltypen, MEAs und einzelne Komponenten gibt es.

Mit abstimmbaren Lasten, kontrollierten Gasmischungen und -drücken sowie Feuchtegraden können verschiedenste Arbeitspunkte ausgetestet werden. Die Potentiostaten beherrschen alle gängigen elektroanalytischen Techniken und verfügen über eine FRA-Einheit für Impedanzspektroskopie. Wichtige Informationen wie Zellperformance, die Bestimmung der katalytischen Aktivität, Separierung der Widerstandsbeiträge von Elektrolyt, Elektronentransport und Kontakten, Monitoring der Membran- und Katalysatoralterung, Cross-over von Wasserstoff, Identifizierung von Membrandefekten etc., können so gewonnen werden.

Die FuelCell©-Software erlaubt die vollständige Steuerung und Überwachung aller Parameter einer Brennstoffzelle oder eines Stacks. Sie ist mit allen gängigen Brennstoffzellentypen kompatibel und ist das weltweit am häufigsten eingesetzte Software-Flaggschiff von Scribner. In FCView erfolgt anschließend die Analyse, Darstellung und der Vergleich der gewonnenen Daten, inklusive der amperometrischen Daten und Möglichkeiten zur Modellierung.

Preiswertere Lösungen für maßgeschneiderte Brennstoffzellen-Teststände werden von uns durch MaterialsMates zur Verfügung gestellt. MaterialsMates ist speziell auf den Bereich, Brennstoffzellen, Batterieforschung und Keramiken spezialisiert.

Unsere Partner in Sachen Brennstoffzellentest:

scribner

MaterialMates

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