Maritime Energiewende Weltweit größter PEM-Brennstoffzellen-Stack vorgestellt

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Schiffe über lange Distanzen emissionsfrei und effizient anzutreiben, ist ein zentraler Schritt für die maritime Energiewende. Das ZSW hat dafür einen großformatigen PEM-Brennstoffzellen-Stack entwickelt, der speziell für die Schifffahrt, aber auch für stationäre Anwendungen konzipiert ist und mit Wasserstoff betrieben wird. 

Neben Lkw und Pkw ist auch die Schifffahrt ein zukünftiges Anwendungsgebiet für Brennstoffzellen-Stacks (deutsch Brennstoffzellen-Stapel). Für Schiffsantriebe werden jedoch hohe Leistungen von mehreren Megawatt benötigt. Aktuelle Stack-Designs, die für Pkw und Lkw entwickelt wurden, liegen typischerweise jedoch nur bei Leistungen unter 200 Kilowatt.  Für einen Schiffsantrieb müssten somit zahlreiche derartige Stacks kombiniert werden, was aufwändige Verschaltungen und hohe Kosten verursachen würde.

Das vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) entwickelte großformatige Hochleistungs-Stackdesign kann auf bis zu 500 Kilowatt skaliert werden. Das soll nicht nur Platz und Kosten sparen, sondern auch deutlich die Integration und zukünftige Wartung derartiger Brennstoffzellenantriebssysteme in Schiffen erleichtern.

„Mit diesem großen Stack-Design 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 vielmehr die Reaktionsgase Wasserstoff und Luftsauerstoff gleichmäßig über die gesamte aktive Fläche der Brennstoffzelle. Zudem übernimmt sie auch die Kühlung des Stacks. 

Gerade bei derart großen Aktivflächen ist insbesondere die Kühlfunktion von entscheidender Bedeutung, da entsprechend mehr Abwärme möglichst gleichförmig abgeführt werden muss. Die medienführenden Strukturen der in diesem Fall aus Graphit bestehenden Bipolarplatte wurden daher von den Forschenden mithilfe von CFD-Simulationen iterativ optimiert. Nach zahlreichen Optimierungsschleifen konnten schließlich Bipolarplatten mit einer aktiven Fläche von über 1.300 Quadratzentimetern 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 Kilonewton verspannt, das sind rund zehn 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.

Demonstrator überzeugt auf dem Teststand

Im Fertigungsbereich der HyFaB-Forschungsfabrik – der Forschungsfabrik für Wasserstoff-Brennstoffzellen am ZSW in Ulm – haben die Wissenschaftler die Dichtungen mithilfe eines 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 Kurz-Stack mit 15 Zellen aufgebaut und im hauseigenen HyFaB-Testzentrum validiert. Dabei wurde eine Stack-Leistung von rund 25 Kilowatt demonstriert. Unter diesen Bedingungen erzeugt der Stapel einen elektrischen Strom von über 3.000 Ampere. Hochgerechnet auf einen Voll-Stack mit 300 Zellen entspricht dies dann einer Leistung von 500 Kilowatt. Die Testergebnisse am ZSW bestätigten den stabilen Betrieb des Brennstoffzellenstapels bei dieser hohen Leistung, ohne dass es zu lokaler Überhitzung des Stacks kommt. 

Maximale Leistung durch Optimierung von Fläche und Höhe

Brennstoffzellen bestehen aus aufeinandergestapelten Einzelzellen, bestehend 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 Automotive-Bereich 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 graphitische Bipolarplatten, da diese auch in großen Flächenformaten noch formstabil und plan gefertigt werden können, was bei Edelstahlplatten ab einer gewissen Größe nur schwer zu erreichen ist. 

PEM-Brennstoffzellen: sauber, effizient und vielseitig

PEM-Brennstoffzellen (Proton Exchange Membrane) wandeln Wasserstoff und Sauerstoff direkt in elektrische Energie um, wobei nur Wasser als Produkt im Betrieb 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-Quadratzentimeter-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. 

Energietechnik

Was ist eine Brennstoffzelle?