Wasserstoff-Brennstoffzellen Mit Messkarten soll die Leistung steigen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Neben einem virtuellen Modell einer Wasserstoff-Brennstoffzelle helfen Messkarten dabei, die Leistungen zu steigern. Dabei spielt der Prüfstand eine wichtige Rolle.

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Zwei Brennstoffzellen-Teststationen im ZBT-Hauptlabor.
Zwei Brennstoffzellen-Teststationen im ZBT-Hauptlabor.
(Bild: Nadine van der Schoot)

Neben einen batterieelektrisch angetriebenen Antriebsstrang bleibt der Wasserstoff-Antrieb als weitere Alternative zum Verbrennungsmotor für die Industrie interessant. Besonders bei schweren Lkws und Bussen wird die Wasserstoff-Brennstoffzelle eine wichtige Rolle spielen. Wasserstoff lässt sich grün mit erneuerbaren Energien erzeugen. Allerdings ist die Technik noch teuer.

Am Zentrum für Brennstoffzellen-Technik (ZBT) in Duisburg forscht man daran, die Wasserstoff-Brennstoffzellen zu verbessern. Grundlage ist ein Computermodell der Brennstoffzelle. Was es mit dem Computermodell auf sich hat, erklärt Sönke Gößling, Gruppenleiter für die Simulation und Regelung von Brennstoffzellensystemen bei ZBT: „Das Computermodell der Brennstoffzelle ist sehr komplex. Wir nutzen die vielen Variablen, um mögliche Leistungssteigerungen zu erforschen. Diese sind jedoch zunächst nur theoretisch, erst auf dem Prüfstand können wir sehen, wie sich Änderungen der Parameter tatsächlich auf die Leistung auswirken. Wir haben schnell gemerkt, dass die Daten unseres Prüfstands nicht die nötige Detailgenauigkeit liefert.“

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Blick in das Innere einer Brennstoffzelle

Über die Messergebnisse bekommen die Forscher einen Einblick in die Vorgänge im Inneren der Brennstoffzelle. Damit lassen sich Fragen, wie und mit welcher Dynamik die Prozesse in der Brennstoffzelle ablaufen. Das ist von entscheidender Bedeutung, um etwa im dynamischen Betrieb eine lokale Unterversorgung zu vermeiden oder um die Betriebsbedingungen gezielt zu optimieren.

Wenn das Computermodell mit den realen Daten validiert werden kann, erhöht sich generell die Zuverlässigkeit der Vorhersagen des Modells. Entwicklung und Optimierungen finden dann vor allem virtuell statt. „Werden unsere Vorhersagen mit realen Ergebnissen bestätigt, ist ein wesentlicher Bestandteil der wissenschaftlichen Methode und wird uns wirklich helfen, das Brennstoffzellendesign zu verbessern. Wir können die Kosten von Brennstoffzellen deutlich zu senken“, sagt Gößling.

Variablen beim Design von Brennstoffzellen

Die wohl wichtigste Entscheidung ist die richtige Größe der Brennstoffzelle. Nur dann erhält man eine optimale Leistungsausbeute. Größere Zellen bieten mehr Leistung, da eine größere Katalysatoroberfläche vorhanden ist. Allerdings steigt damit auch das Gewicht und die verbundenen Kosten. Vor allem bei Platin als typischen Katalysator.

Statt die Größe zu erhöhen, kann der Abstand zwischen den Elektroden im Brennstoffzellenstapel optimiert und die Gasströmung durch die Zelle verbessert werden. Das erhöht die katalytische Reaktion und somit die Leistung. Ein weiterer Faktor ist das Ableiten des Abwasserdampfs aus der Zelle, um ein Verstopfen der katalytischen Oberflächen zu verhindern. Die entstehende Wärme muss ebenfalls effizient aus der Zelle entfernt werden, um eine Überhitzung zu vermeiden.

Reale Betriebsbedingungen untersuchen

Mit dem Prüfstand lassen sich reale Betriebsbedingungen untersuchen, die die Leistung der Brennstoffzelle beeinflussen. Dazu gehören wechselnde Lastbedingungen durch Starten, Beschleunigen, Bremsen und Stoppen sowie die wechselnden Temperatur- und Feuchtigkeitsverhältnisse, in denen Fahrzeuge betrieben werden. Das alles beeinflusst die Lebensdauer der Brennstoffzelle.

Das amerikanische Energieministerium verlangt, dass Brennstoffzellensysteme unter realistischen Betriebsbedingungen eine Lebensdauer von mindestens 8.000 Stunden in leichten Nutzfahrzeugen, 30.000 Stunden in schweren Lkws und 80.000 Stunden bei dezentralen Stromsystemen haben.

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