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Wohin geht der Trend bei Niedertemperatur Brennstoffzellen?

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Wohin geht der Trend bei Niedertemperatur-Brennstoffzellen?

Die neuesten Entwicklungen und Innovationen offenbarten namhafte Unternehmen der Branche in einer Umfrage im Auftrag der H2Expo.

Das Ergebnis der Umfrage zeigt einen Trend zu flexibleren Betriebstemperaturen der Niedertemperatur-Zellen, zu Fortschritten bei Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC) und zur weiteren Einsparung von Platin. Die Anhebung der Betriebstemperatur von PEM-Zellen (Polymer-Elektrolyt-Membran) von herkömmlich 80°C auf über 100°C bis zu 200°C führt zu neuen Begriffen. Man spricht nun von Mitteltemperatur- und Hochtemperatur-PEM.

Pemeas in Frankfurt, Nachfolger der Celanese- und Höchst-Brennstoffzellen-Forschung, lagert statt Wasser Phosphorsäure in die Membran ein, die aus Polybenzimidazol (PBI) besteht. Die Membranbefeuchtung mit Wasser entfällt dadurch. Bevorzugt wird der Temperaturbereich von 160°C bis 180°C. Schon ab 160°C beginnt die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) Kohlenmonoxid-verträglich zu werden, das heißt CO deaktiviert nicht mehr den Edelmetallkatalysator.

Anwendungsziele der so genannten Celtec-Technik sind reformatbetriebene stationäre Systeme, bei denen die Gasreinigung des Reformates vereinfacht wird. Zu den Kooperationspartnern gehört Plug Power.

Heiße PEM-Zellen werden derzeit bei Vaillant erprobt. Eine neue Prototypengeneration arbeitet zwischen 160°C und 200°C und hat erste Labortests bestanden. Bisher lag die Betriebstemperatur bei 75°C. Das neue System wurde zusammen mit dem Partner Plug Power entwickelt, soll wesentlich robuster sein, einen höheren elektrischen Wirkungsgrad erbringen und mit einem vereinfachten Erdgasreformer auskommen. Man erwartet Kosteneinsparungen auf dem Weg zu einem wettbewerbsfähigen Produkt.

An einer Temperaturanhebung wird auch bei dem MEA-Entwickler 3M gearbeitet. Laut 3M Deutschland liegt die Betriebstemperatur leicht über 100°C, jedoch nicht im Bereich von 180°C. Das PEM-System lasse sich auf diese Weise vereinfachen. Hauptfokus der Entwicklung sei Haltbarkeit, Robustheit und eine verbesserte Temperaturbeständigkeit.

Tiefkalt geht es bei Ballard in Vancouver zu. Nachdem schon asiatische Autobauer die Kaltstarteignung ihrer PEM-Zellen verkündet hatten, meldet auch Ballard Frostbeständigkeit. Im Labor absolvierte eine neue Testzelle mit 50 Wiederholungen einen Kaltstart bei -20°C und den darauf folgenden simulierten Fahrzyklus. Zwischendurch wurde das 10-Zellen-Aggregat samt Peripherie jeweils wieder eingefroren. Dabei sei kein Nachlassen der Leistung oder eine Beschädigung festgestellt worden. Ziel der weiteren Entwicklung ist der Kaltstart bei -30°C.

In einem simulierten Langstreckentest mit zahlreichen Fahrzyklen sei erst nach fast 2.200 Stunden ein Leistungsabfall von 5 % eingetreten. Bei dem neuen Zellendesign wurden auch die Kosten erheblich gesenkt. Ohne Leistungsverlust sei die Platin-Belegung der Elektroden um 30 % auf etwa 0,7 mg/cm2 reduziert worden. Zum Wassermanagement und der internen Betriebstemperatur der Testzelle möchte sich Ballard noch nicht äußern, man spricht aber in dem Zusammenhang von einem technischen Kunstgriff. Die aktuell produzierte PEM-Version Mark 902 wird bei 80°C betrieben. Für April 2005 wird die Bekanntgabe eines Technologie-Zeitplans bis zur kommerziellen Verfügbarkeit der Zellen für Fahrzeuge im Jahr 2010 angekündigt.



Im Medienschatten der Brennstoffzellen-Fahrzeuge standen bislang Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC). Sie sind konstruktiv von PEM-Zellen abgeleitet und werden bei 70°C bis 80°C betrieben. Zurzeit scheinen DMFC aufzuholen. Im Forschungszentrum Jülich arbeitet ein 30-köpfiges Team an der Weiterentwicklung, das größte DMFC-Team weltweit, so ein Sprecher.

Das bisherige Handicap von DMFC, der ungewollte Durchtritt von Methanol durch die Membran, wurde zwar nicht beseitigt, aber vermindert. Nach dem Stand der Entwicklung gelangen 10 bis 20 % des Methanols ungenutzt in die Kathode und werden dort verbrannt. Der Gesamtwirkungsgrad liege jetzt bei 25 %, angestrebt werden 30 %. Die Elektrodenbelegung der Zelle mit Platin und Ruthenium soll von 4 mg/cm2 auf 2 mg/cm2 halbiert werden. Als erste Anwendungen seien im 50 Watt-Bereich Notebooks und im 2,5 kW-Bereich kleine Gabelstapler vorstellbar.

Ein Methanol-Durchtritt im nur einstelligen Prozentbereich wurde bei Smart Fuel Cell (SFC) erreicht. Eine neue Folienmembran leite nicht mehr Protonen, sondern andere Ionen, und lasse zudem eine Halbierung der nötigen Platinmenge zu. Als Besonderheit gibt SFC die Befüllung der Tankpatronen mit reinem Methanol statt mit einem Methanol-Wassergemisch an. Jenes werde zwar weiterhin anodisch benötigt, jedoch durch Rückführung von Kathodenwasser erzeugt. Die Zelle sei für Lufttemperaturen zwischen -35°C und +40°C geeignet. So kämen auch netzunabhängige Anwendungen in der Verkehrsüberwachung und Telekommunikation etwa in Skandinavien in Frage.

Durch die Platineinsparung rechne man bald mit einer Preisreduzierung. Die Betriebstemperatur sei geringfügig angehoben, liege jedoch unter 100°C. Nahziele sind Entwicklungen und Kooperationen in der 25 W-Klasse für die Stromversorgung von Laptops. Solche Einheiten seien in der Baugröße eines DVD-Laufwerkes möglich.

Von Raumtemperatur bis zu 160°C und damit für eine DMFC-Membran ungewöhnlich heiß kann die Celtec V-Membran von Pemeas betrieben werden, derzeit im experimentellen Stadium. Der Methanol-Durchtritt (Crossover) sei erheblich herabgesetzt im Vergleich zu Fluorpolymer-Membranen, und man erwarte im Vergleich zu diesen eine preisgünstigere Mengenproduktion.

Alkalische Brennstoffzellen, AFC genannt (Alcaline Fuel Cells), sind aus der Raumfahrt bekannt und kommerziell verfügbar. Mit Betriebstemperaturen zwischen 60°C und 200°C zählen auch sie zur Niedertemperaturklasse und gelten mit ihren Kraftstoffanforderungen - hochreiner Wasserstoff oder CO2-freies Reformat - als anspruchsvoll.

Einen marktnahen Abkömmling der AFC hat Medis Technologies in New York entwickelt. Die tragbare Hilfsstromquelle Power Pack soll herkömmlichen Mobiltelefonen, digitalen Kameras, MP3-Playern und elektronische Spielen zur Akku-Aufladung und als Ersatzstromversorgung dienen. Das 200 g schwere Gerät enthält alkoholische Kalilauge als Elektrolyten und eine flüssige Wasserstoffspeicherung, die auf Bor-Hydrid basiert. Die Kathode kommt bereits ohne Platin oder andere Edelmetalle aus, bis zur Vermarktung soll aus Kostengründen auch die Anode edelmetallfrei werden.

Für private Verbraucher ist der Power Pack als Ein-Weg-Produkt konzipiert, das heißt, er kann nicht wiederbefüllt werden. Die Zelle funktioniert laut Medis intern bei etwa 20°C und ohne wahrnehmbare Wärmeabgabe, außerhalb können -20°C oder auch große Hitze herrschen. Das theoretisch obere Limit mit 200°C bildet der Flammpunkt einer der enthaltenen Flüssigkeiten. Für Militäranwendungen sei eine wiederbefüllbare Version geplant, die noch tieferem Frost standhält. Ende 2005 soll die Produktion mit mehreren Tausend Einheiten pro Monat beginnen, Mitte 2006 auf eine bis eineinhalb Millionen pro Monat ansteigen und sich Ende 2006 nochmals verdoppeln. Das Produkt scheint elegant das Problem der Standardisierung zu umgehen, die notwendig wäre, wenn Brennstoffzellen Akkus direkt ersetzen sollen.

Quelle: Hamburger Messe GmbH, März 2005



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