PEM-Brennstoffzellensysteme benötigen für ihren Betrieb Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas. Um Brennstoffe wie Erdgas oder Flüssiggas (LPG), Biogas, Methanol, Ethanol oder Dimethylether (DME) nutzen zu können, müssen diese vorher aufbereitet werden. Dies erfolgt in sogenannten Reformersystemen. Nach der Reformierung und Gasreinigung kann das (wasserstoffreiche) Gas in der Brennstoffzelle umgesetzt werden. Abb.1 zeigt schematisch die Funktion.

Entschwefelung

Hier werden Geruchsstoffe und sonstige Schwefelverbindungen bis in den Bereich der Nachweisgrenze abgetrennt. Flüssiggas enthält aus Sicherheitsgründen Odorierungsmittel. Diese schwefelhaltigen Gaskomponenten sind für die Katalysatormaterialien im Reformersystem und in der Brennstoffzelle selbst bei Konzentrationen im ppm-Bereich schädlich. Sie müssen deshalb durch eine vorgeschaltete Entschwefelungseinheit, die als Wechselkartusche ausgeführt ist, zuverlässig aus dem zugeführten Gas entfernt werden.

Reformersystem

Im Reformer wird Flüssiggas unter Mithilfe eines Katalysators in ein wasserstoffhaltiges Gas umgewandelt. Aus Gründen der Prozesssicherheit und Langzeitstabilität kommt das Verfahren der Dampfreformierung zum Einsatz. Das Reformersystem basiert auf mikrostrukturierten Komponenten in Plattenreaktor-Bauweise; das gewährleistet einen einfachen, modularen Aufbau, kurze Startzeiten, hohe Prozessstabilität und exakte Regelbarkeit.

Brennstoffzelle

In der Brennstoffzelle wird das wasserstoffreiche Gas unter Zugabe von (Luft-)Sauerstoff elektrochemisch in Strom, Wärme und Wasser umgewandelt. Durch die Verwendung einer Hochtemperatur-PEMBrennstoffzelle (HT-PEM-BZ) kann die in herkömmlichen Reformersystemen erforderliche Gasfeinreinigungsstufe komplett entfallen. Die HT-PEM-BZ toleriert aufgrund ihrer höheren Betriebstemperatur von 140 – 200 °C deutlich stärkere CO-Verunreinigungen im Reformatgas als Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen (NT-PEM-BZ) mit einer Betriebstemperatur von 60 – 80 °C. Vorteilhaft gegenüber Systemen mit NT-PEM-BZ ist das einfachere Reformersystem; der Brennstoffzellenstack kann leichter gekühlt werden und beim Wassermanagement entfallen die aufwendigen Befeuchtungsvorrichtungen. Abgas, Abluft und Kühlluft werden über einen kombinierten Abluft-/Abgaskamin aus dem System abgeführt.

Ladeelektronik

Der Brennstoffzellen-Strom wird über eine Ladeelektronik, die ähnlich wie konventionelle Batterieladegeräte funktioniert, in die Bordbatterie eingespeist. Die Ladeelektronik ist an verschiedene Batterietypen (Säure, Gel, Vlies) angepasst.

Funktionsprinzip

Durch Elektrolyse wird Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Diese chemische Reaktion verläuft in der Brennstoffzelle in entgegengesetzter Richtung: Wasserstoff und Sauerstoff reagieren miteinander, Energie wird frei und Wasser bleibt zurück…

Die Brennstoffzelle wandelt die chemische Energie eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels direkt in Elektrizität um. Die Zelle besteht aus zwei gasdurchlässigen Elektroden und einer die Gase trennenden, ionenleitenden Elektrolytschicht. Der zugeführte Wasserstoff wird an der Anode mithilfe eines Katalysators in Elektronen und Ionen aufgespalten. Die Wasserstoff-Ionen wandern durch den Elektrolyten zur Kathode, die Elektronen fließen über den Leiter als elektrischer Strom. An der Kathode verbinden sich die Elektronen und Wasserstoff-Ionen mit dem zugeführten Sauerstoff zu Wasser. Eine einzelne Brennstoffzelle erzeugt eine Spannung von 0,5 – 0,7 V: Um eine höhere Spannung zu erreichen, werden mehrere Zellen in Serie geschaltet, zu sogenannten Stacks (Stapeln).