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04.05.2018

Brennstoffzellen-Messstation

Brennstoffzellen wirtschaftlicher machen

An einem Institut für Oberflächenmodifizierung sorgen zwei Wärmeschränke in einer Brennstoffzellen-Messstation für die richtige Betriebstemperatur. Das soll den Leistungsvergleich von nanostrukturierten, dreidimensionalen Verbundelektroden ermöglichen.

Wer an einem der 93 deutschen Leibniz-Institute forscht, wandelt in großen Fußstapfen. Ihr Namensgeber, der berühmte Leipziger Gottfried Wilhelm Leibniz, wird oft als letzter Universalgelehrter bezeichnet. Folgerichtig haben sich unter dem Dach der Leibniz-Gesellschaft Forschungseinrichtungen versammelt, die zu unterschiedlichen Wissenschaftsthemen forschen – von den Natur- über Ingenieur- bis hin zu Geisteswissenschaften.

Das Leipziger Institut für Oberflächenmodifizierung e.V. widmet sich unter anderem der Erforschung elektrochemisch aktiver Oberflächen, wie sie in Brennstoffzellen Einsatz zu finden sind.

Auf dem Weg zur wirtschaftlichen Brennstoffzelle

Seit den 1950er-Jahren wird am kommerziellen Einsatz von Brennstoffzellen für den Fahrzeugantrieb oder die Strom- und Wärmeversorgung von Gebäuden geforscht. Der relativ hohe Wirkungsgrad von bis zu 70 % macht die Brennstoffzelle zu einem Dauerbrenner bei der Diskussion über alternative Energiequellen. Neben den hohen Herstellkosten für Wasserstoff stehen die hohen Kosten für die Platinkatalysatoren sowie die zurzeit geringe Leistungsfähigkeit der Elektroden einem breiten Praxiseinsatz im Weg.

Von den verschiedenen Brennstoffzellentypen, die in der Vergangenheit entwickelt und getestet wurden, scheint die Feststoffsäure-Brennstoffzelle (Solid Acid Fuel Cell, SAFC), die bei mittleren Betriebstemperaturen ab 230 °C arbeitet, eine vielversprechende Technologie zu sein. Das Team um Dr. Aron Varga, Gruppenleiter des Bereichs elektrochemisch aktive Oberflächen und Energiekonversion, erforscht, inwieweit alternative Materialien wie Kohlenstoffnanoröhren oder Graphen-Membrane die teuren Platin- und Palladiumkatalysatoren ersetzen können, und hat hierfür eigens eine Messstation entwickelt (Bild 1).

Der Aufbau der Brennstoffzellen- Messstation

Die Brennstoffzellen-Messstation besteht aus zwei Wärmeschränken UF30 bzw. UF75plus des Temperiertechnik-Experten Memmert, Schwabach. Im ersten werden die beiden Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff bei 80 °C durch zwei gasdichte Wasserbehälter geleitet und reichern sich dabei mit Wasser an. Dieser Schritt ist notwendig, um das Elektrolytmaterial CsH2 PO4 während der elektrochemischen Messung zu stabilisieren und bei Betriebstemperaturen ab 150 °C eine Dehydratisierung zu verhindern.

Über eine beheizte Edelstahlleitung gelangen die Reaktionsgase in die gasdichten Edelstahlbehälter mit den Brennstoffzellen im zweiten Wärmeschrank. Dieser heizt die elektrochemischen Zellen auf konstante 240 °C, die Betriebstemperatur der Feststoffsäure-Brennstoffzelle. Mithilfe einer vergleichenden Impedanzmessung, vereinfacht gesagt einer Widerstandsmessung, können die wesentlichen Parameter, in denen sich die Versuchszellen unterscheiden, hinsichtlich Effizienz, Wirkungsgrad und Elektrodenleistung bewertet werden.

"Unsere Versuche sind auf die nächsten fünf bis zehn Jahre angelegt", erläutert Aron Varga. "Zuverlässigkeit und gleichbleibend gute Temperaturkonstanz sind daher unerlässlich." Die Wärmeschränke verfügen über eine spezielle Rundum-Flächenheizung, einer der wesentlichen Faktoren für eine optimale Temperaturverteilung und Temperaturhomogenität im Innenraum.

In Brennstoffzellen wird durch die Reaktion von Sauerstoff mit einem Brennstoff (z.B. Wasserstoff) chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt (Bild 2). Eine Zelle besteht aus zwei Elektroden, die durch einen Ionenleiter (Elektrolyt) getrennt sind, um eine unerwünschte Knallgasreaktion zu verhindern.

Der an der Anode (positive Elektrode) zugeführte Wasserstoff oxidiert aufgrund einer katalytisch aktiven Platinschicht (in Niedertemperaturbrennstoffzellen) in seine Bestandteile. Je Wasserstoffmolekül (H2 ) fließen, angetrieben durch die auftretende Potenzialdifferenz, zwei Elektronen in den äußeren Stromkreis, während zwei Protonen (H+-Ionen) durch den negativ geladenen Elektrolyten hindurch zur Kathode diffundieren. Der an der Kathode zugeführte Sauerstoff wird mit den Elektronen aus dem Stromkreislauf und den Wasserstoffprotonen unter Wärmeentwicklung zu Wasser reduziert, das als Abfallprodukt aus der Zelle abgeführt wird.

Je nach Art der Zelle und je nach den Betriebsparametern beträgt die tatsächliche elektrische Spannung zwischen 0,6 und 0,9 Volt. Durch Inreiheschalten vieler Zellen zu einem Stack erreicht man entsprechend eine höhere Leistung. Brennstoffzellen erzielen Wirkungsgrade von bis zu 70 %, der geringere Teil der Reaktionsenergie wird als Wärme freigesetzt.

Memmert GmbH + Co. KG
www.memmert.com

Unternehmensinformation

Memmert GmbH + Co. KG

Äußere Rittersbacher Str. 38
DE 91126 Schwabach
Tel.: 09122 925-0
Fax: 09122 925-139

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