Maritimer Einsatz Konzept für weltweit größten PEM-Brennstoffzellenstack

Anbieter zum Thema

ZSW Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg

DENIOS SE

Nuventura GmbH

Schiffe über lange Distanzen emissionsfrei und effizient anzutreiben, ist ein zentraler Schritt für die maritime Energiewende. Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) hat dafür einen großformatigen PEM-Brennstoffzellenstack entwickelt, der speziell für die Schifffahrt sowie für stationäre Anwendungen konzipiert ist und mit Wasserstoff betrieben wird. Mit einer aktiven Fläche von 1.300 cm² pro Zelle können bis 500 kW Gesamtleistung pro Stack erreicht werden.

Neben Lkw und Pkw ist auch die Schifffahrt ein künftiges Anwendungsgebiet für Brennstoffzellenstacks. Für Schiffsantriebe werden jedoch Leistungen von mehreren Megawatt benötigt. Aktuelle Stackdesigns, die für Pkw und Lkw entwickelt wurden, liegen typischerweise jedoch bei Leistungen unter 200 kW. Für einen Schiffsantrieb müssten somit zahlreiche derartige Stacks kombiniert werden, was aufwendige Verschaltungen und hohe Kosten verursachen würde. Das vom ZSW entwickelte großformatige Hochleistungsstackdesign kann auf bis zu 500 kW skaliert werden. Das spart nicht nur Platz und Kosten, sondern erleichtert auch die Integration und zukünftige Wartung derartiger Brennstoffzellenantriebssysteme in Schiffen.

"Mit diesem großen Stackdesign zeigen wir, dass emissionsfreie Schifffahrt – künftig mit grünem Wasserstoff – technisch machbar und wirtschaftlich attraktiv ist. Die Tests bestätigen die Leistungsfähigkeit unseres Stacks, der Maßstäbe für die gesamte Brennstoffzellenindustrie setzt", sagt Prof. Dr. Markus Hölzle, ZSW-Vorstandsmitglied und Leiter des Geschäftsbereichs Elektrochemische Energietechnologien in Ulm.

Herzstück Bipolarplatte: Warum das Design zählt

Am Beginn der Entwicklung stand das Design der sogenannten Bipolarplatte. Sie sorgt im Stack nicht nur für die elektrische Leitfähigkeit, sondern verteilt auch die Reaktionsgase Wasserstoff und Luftsauerstoff gleichmäßig über die gesamte aktive Fläche der Brennstoffzelle. Zudem übernimmt sie die Kühlung des Stacks. Gerade bei derart großen Aktivflächen ist die Kühlfunktion von entscheidender Bedeutung, weil das Mehr an Abwärme auch möglichst gleichförmig abgeführt werden muss. Die medienführenden Strukturen der Bipolarplatte, die in diesem Fall aus Grafit besteht, wurden daher von den Forschenden mithilfe von CFD-Simulationen optimiert. Nach zahlreichen Optimierungsschleifen konnten schließlich Bipolarplatten mit einer aktiven Fläche von über 1.300 cm² hergestellt werden.

Um eine zuverlässige Dichtigkeit und eine stabile elektrische Kontaktierung zwischen Bipolarplatte und Gasdiffusionslage zu gewährleisten, werden die gestapelten Platten mit einer Kraft von rund 150 kN verspannt, das sind rund 10 bar Druck. Das dafür entwickelte Verspannungssystem aus Tellerfedern, Gewindestangen und Endplatten haben die ZSW-Forschenden mittels FEM-Simulationen ausgelegt und anschließend im Auftrag des ZSW von spezialisierten Unternehmen fertigen lassen.

Brennstoffzellenstack überzeugt auf Teststand

Im Fertigungsbereich der Hyfab-Forschungsfabrik – der Forschungsfabrik für Wasserstoff-Brennstoffzellen am ZSW in Ulm – haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Dichtungen mit einem präzisen Jet-Dispensverfahren direkt auf die Bipolarplatten aufgebracht und anschließend thermisch ausgehärtet. Auch die siebenlagigen Membran-Gasdiffusionslagen-Einheiten, die für den Brennstoffzellenaufbau benötigt werden, fertigte das ZSW-Team selbst.

Auf Basis dieser Entwicklungen wurde ein erster sogenannter Kurzstack mit 15 Zellen aufgebaut und im Hyfab-Testzentrum validiert. Dabei wurde eine Stackleistung von rund 25 kW demonstriert. Unter diesen Bedingungen erzeugt der Stapel einen elektrischen Strom von über 3.000 A. Hochgerechnet auf einen Vollstack mit 300 Zellen entspricht dies einer Leistung von 500 kW. Die Testergebnisse am ZSW bestätigten den stabilen Betrieb des Brennstoffzellenstapels bei dieser hohen Leistung, ohne dass es zu lokaler Überhitzung des Stacks kommt. Insofern bestätigten die Messergebnisse die zuvor simulierten Leistungsdaten des Stapels und unterstreichen die technologische Reife des Demonstrators.

Hohe Leistung durch Optimierung von Fläche und Höhe

Brennstoffzellen bestehen aus aufeinandergestapelten Einzelzellen, aufgebaut aus einer Katalysator-Membran-Einheit und einer Bipolarplatte. Werden hohe Leistungen gefordert, wird zuerst die aktive Fläche, also die Größe dieser Baueinheiten vergrößert, denn mit größerer Fläche steigt auch der Stromfluss durch die Brennstoffzelle. Für diese Vergrößerung gibt es jedoch Grenzen, sodass in einem zweiten Schritt mehrere Lagen aufeinandergestapelt werden. Hierdurch steigt die Spannung des Brennstoffzellenstapels an. Das Produkt aus Strom und Spannung ergibt die Leistung, die sich somit über die Fläche und die Höhe des Stapels vergrößert.

Im Automotivebereich kommen meist Bipolarplatten aus Edelstahl zum Einsatz, da sie leicht sind und sehr dünn gefertigt werden können. Für großflächige Brennstoffzellen, wie sie in der Schifffahrt benötigt werden, benötigt man hingegen grafitische Bipolarplatten, weil sich diese auch in großen Flächenformaten noch formstabil und plan fertigen lassen, was bei Edelstahlplatten ab einer gewissen Größe nur schwer zu erreichen ist.

PEM-Brennstoffzellen: sauber, effizient, vielseitig

PEM-Brennstoffzellen (Proton Exchange Membrane) wandeln Wasserstoff und Sauerstoff direkt in elektrische Energie um, wobei nur Wasser als Produkt entsteht. Ihre hohe Leistungsdichte, schnelle Dynamik und Modularität macht sie ideal für mobile Anwendungen in Lkw, Bussen, Pkw und Schiffen sowie für die stationäre Energieversorgung. Mit dem großformatigen 1.300-cm²-Stackkonzept liefert das ZSW einen entscheidenden technologischen Impuls für die Nutzung von PEM-Brennstoffzellen in Anwendungen wie der klimaneutralen Schifffahrt. Darüber hinaus eignet sich das Stackkonzept auch für stationäre Anwendungen, etwa zur Rückverstromung von Wasserstoff.