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Der im Projekt entwickelte 260-Zellen 100 kW Brennstoffzellenstapel
© Volkswagen AG

Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle, besonders hervorgehoben ist die MEA mit der zwischen Anode und Kathode sitzenden Membran.
© Energieagentur NRW
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Neue Gasdiffusionsschichten verbessern Transport von Wasser und Gasen

Die Gas-Diffusions-Schichten (GDL) liegen in der Brennstoffzelle zwischen MEA und Bipolarplatten. Sie sind zuständig für den Gas- und Wassertransport. Das Substrat der GDL bestimmt hauptsächlich die mechanischen ­Eigenschaften, die mikroporöse Schicht (MPL) beeinflusst die elektrischen Eigenschaften sowie den Transport von Wasser (Wasserdampf) und Betriebsgasen. Die neuen GDLs sollen einen höheren Wirkungsgrad haben und außerdem auch kostengünstiger und haltbarer sein.

Die Forscher untersuchten unterschiedliche GDL-Materialien darauf, wie gut sie die wechselnden Einsatzbedingungen hinsichtlich Temperatur, Druck, Stöchiometrie und Befeuchtung verkraften und wie sie sich für den Einsatz im Stapel eignen. Sie entschieden, den Brennstoffzellenstapel mit einem dünnen GDL-Substrat auszustatten, das Vorteile beim Wassermanagement sowie niedrigere Durchtrittswiderstände bietet. Und es hilft, den Bauraum des Stapels kompakt zu halten. Die ausgewählte GDL-Materialvariante zeigte gegenüber dem Referenzmaterial einen deutlichen Leistungsgewinn von fast 20%. Hochgerechnet auf einen 100 kW-Stapel erreichten die Forscher mit einer aktuellen Platin-Beladung von 0,3 mg/cm2 pro MEA eine Leistungsdichte von etwa 0,26 g Pt/kW.

In der Konzeptphase verglichen die Entwickler mehrere Designkonzepte für Bipolarplatten. Entscheidende Kriterien waren Kontaktfläche, Dicke der ­Bipolarplatten, Kühlmittelmenge und Versorgung der MEA mit Reaktionsmedien. Sie entschieden sich für metallische Bipolarplatten mit länglichen, geschwungenen Kanälen.

Neu entwickelte Hybridendplatten halten den Stack zusammen. Sie bestehen aus einem  Kunststoffrahmen mit Metalleinsatz und sind als mechanisch hoch belastbare Leichtbaulösung für eine spätere industrielle Serienfertigung konzipiert.

Der Brennstoffzellenstapel ist reif für die Serienfertigung

Mit diesen aktuellen Stack-Komponenten wurde ein erster Kurzstapel im finalen Design mit 9 Zellen aufgebaut und in Betrieb genommen. Er erreicht mit 0,26 g Pt/kW eine sehr hohe und stabile Leistungsdichte. Der Langzeittest des Stapels belegte das gute mechanische Zusammenspiel sowie die elektrochemische Beständigkeit der Komponenten MEA und Bipolarplatten. Bedingt durch den Einsatz von dünneren Membranen waren beim Aufbau des Stacks strengere Anforderungen zu erfüllen. Dies gilt sowohl bei Bauteiltoleranzen als auch hinsichtlich Staubfreiheit im Montagebereich. Als kritisch erwiesen sich neben Staubpartikeln vor allem Unebenheiten der GDL-Fasern, die die Membran lokal stärker belasten, wenn sie ungenügend von der mikroporösen Schicht (MPL) abgeschirmt werden.

Der im Projekt entwickelte 260-Zellen 100 kW Stapel wurde im Oktober 2018 aufgebaut.

Skaleneffekt senkt Kosten

Wenn die Produktion von 500 auf 500.000 Stück steigt, sinken die Kosten pro Stapel  auf etwa 30% des heutigen Wertes. Dabei macht der Pt-Anteil beim im Projekt entwickelten Stapel 38% aus, beim Folgemodell mit verbesserten MEA noch 29%.

Die Projektpartner nutzen die erworbenen Erkenntnisse über Metall-Bipolarplatten und MEA dafür, die Technologie in Richtung einer Fertigungsreife weiter zu entwickeln. Schwerpunkt eines Folgeprojektes sollten deshalb verstärkt Lebensdaueraspekte der Komponenten sein, insbesondere der MEAs und Bipolarplatten. Für den ­Serieneinsatz von Brennstoffzellen kommen bei Volkswagen zunächst höhere Fahrzeugklassen und leichte Nutzfahrzeuge in Betracht.

Mit dem HyMotion4 Projekt präsentierte der Konzern die Vorteile der neuen Antriebstechnologie. Damals wurden neun Brennstoffzellenfahrzeuge aufgebaut und mit ­einem ersten selbstentwickelten Stapel ausgerüstet. Durch den Einsatz skalierbarer Brennstoffzellen-Systeme in verschiedenen Leistungsklassen lassen sich Kosteneinsparpotenziale erschließen.

PEM-Brennstoffzelle und Membran-Elektroden-Einheit MEA

Zentrales Element der PEM-Brennstoffzelle ist die Protonenaustausch-Membran (PEM) in der Membran-Elektroden-Einheit (MEA, Membrane Electrode Assembly). Diese protonenleitende Elektrolytmembran sitzt zwischen kata-
lysatorbeschichteter Anode und Kathode, Gasdiffusionslagen (GDL) und Bipolarplatten. Um hohe Leistungs­dichten zu erzielen, müssen alle diese Komponenten (Membran, Katalysatorschichten, GDL und Bipolarplatten) optimal aufeinander abgestimmt werden.

Die Stromerzeugung durch die kalte Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff wird möglich durch die verschiedenen aufeinander abgestimmten Funktionsschichten in der PEM-Brennstoffzelle. In der Mitte sitzt die für Protonen durchlässige Polymermem­bran (PEM). Die Katalysatorschichten bestehen aus Kohlenstoffpartikeln mit feinstverteiltem Platin­pulver, das die Reaktion fördert. Die Gasdiffusionsschicht sorgt dafür, dass immer genug Wasserstoff bzw. Luft an den Elektroden umgesetzt werden kann und kondensiertes Wasser abgeleitet wird. Die metallischen Bipolarplatten enthalten Kanäle für Wasserstoff und ­Sauerstoff sowie für Kühlmittel; außerdem dienen sie als elektrische Leiter für den Ladungstransport.

Projektinfo 12/2018:
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Adressen

Projektleitung, Stapelentwicklung
Volkswagen AG

Entwicklung von Membran- Elektroden-Einheiten (MEAs)
Greenerity GmbH

Entwicklung von Elektro-Katalysatoren
Umicore AG & Co. KG

Gasdiffusionsmedien und Dichtungen für Brennstoffzellenstapel
Freudenberg Sealing Technologies GmbH & Co. KG

Abdichtungskonzept für die Bipoloarplatte
Elring Klinger AG

Charakterisierung von GDLs und Simulation der Flüssigwasserverteilung
ZSW Baden-Württemberg

Links

Erklärung Funktion Brennstoffzelle
CEP-Video

Wasserstoffvisionen von VW und Audi
Video der Deutschen Welle

Die Funktionsweise des Elektrofahrzeugs mit Brennstoffzelle
Video von NuCellsSys

Bundesförderung Wasserstoff und Brennstoffzelle (NIP)
Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie

CEP
Website der Clean Energy Partnership

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

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.