Mehr Leistung im kleinen Stil

Test & Technik

Bisher waren bei Direktmethanol-Brennstoffzellen nur Leistungsklassen zwischen 25 und 60W verfügbar. Im Projekt BZ-Battext entwickelten Forscher nun ein kompaktes System, das Leistungen von 100 bis 120W ermöglicht. Außerdem integrierten sie ein 100-W-System als Range-Extender in ein Solar-Elektroboot.

22. November 2010

Kleine Brennstoffzellensysteme sind als Batterieerga¨nzung oder -ersatz eine interessante Alternative für zahlreiche Anwendungsgebiete – vom kleinen Elektrofahrzeug bis hin zur Bordstromversorgung im Wohnmobil. Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) sind für diesen Zweck geeignet, aber in der gewünschten Leistungsklasse nicht verfügbar. Dazu kommt, dass die portablen Energieversorgungssysteme noch zu teuer, zu komplex und wenig kompakt sind.

»Wir haben deshalb sowohl das Material und die einzelnen Komponenten als auch das komplette System weiterentwickelt«, erklärt Johannes Schirmer vom Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart. »Das 100 Watt starke Kompaktsystem ist jetzt leichter, kleiner und kostengünstiger als bislang möglich«, sagt der Leiter des Projektes BZ-Battext. Bisher waren solche Systeme nur im Bereich 25 bis 60W verfügbar, die Entwicklung ermöglicht nun ein 100- bis 120-W-DMFC-System.

Dabei verfolgten die Wissenschaftler im Prinzip zwei Ziele: Einerseits wollten sie Materialien und Komponenten für ein 100-W-DMFC-System entwickeln, das kostengünstiger und effizienter ist. Andererseits ging es ihnen darum, ein 100-W-DMFC-System als Range-Extender einzusetzen in einem Solar-Elektroboot. Ziel war hier, Design und Personenkapazität zu optimieren und das BZ-System in das Boot zu integrieren.

Gemeinsam mit Partnern – darunter das Institut für Chemische Verfahrenstechnik der Uni Stuttgart, die Unternehmen Staxon, Kopf Solarschiff, Freudenberg, Between und die Ulmer Brennstoffzellen Manufaktur – realisierten die Forscher ihre Ziele.

Erstens konnten die Partner beim Stack nach dreijähriger Entwicklungszeit eine kostensparende Lösung für eine mögliche Serienfertigung demonstrieren. So entwickelten sie etwa Membranen, die kostengünstiger sind, weniger Methanol verbrauchen und eine vereinfachte Systemtechnik beeinhalten. Das erreichten sie unter anderem mit ionisch vernetzten Block-Co-Polymeren. »Durch die Vernetzung haben wir einen verringerten Methanoldurchtritt und Wasserdurchtritt angestrebt«, erklärt Schirmer.

Dichtungskonzept ermöglicht Serienfertigung

So könne durch reduzierten Methanoldurchtritt die Performance verbessert und der Treibstoffverbrauch gesenkt werden. Verminderter Wasserdurchtritt durch die Membran verbessere ebenfalls die Performance und reduziere den Aufwand für die Wasserrückgewinnung, »da Wasser auf der Anodenseite benötigt wird, durch den Durchtritt aber auf die Kathodenseite gelangt«.

Außerdem konnten die Experten das Dichtungskonzept FAST-GDL der PEM-BZ-Technologie auf die DMFC übertragen. »So werden geringere Herstellkosten erreicht.« Als alternative Option haben sie das Dichtungskonzept Laminierung von der PEM-BZ-Technologie auf die DMFC transferiert. »Damit können die Stacks nun kommerziell auf Kleinserienanlagen hergestellt werden.« Im System selbst reduzierten sie Sensorik und aktive Komponenten. So erreichten sie eine vereinfachte Systemarchitektur, verminderte Kosten, Bauraum und Gewicht.

Zweitens haben die Partner im Juli ein 100-W-System zur Demonstration in ein bis zu acht Personen fassendes Solarboot der Kopf Solarschiff eingebaut. »Der Einsatz der DMFC als Batterieextender in der Anwendung Solarboot ist sehr vorteilhaft, da er Reichweitenverlängerung und Netzunabhängigkeit ermöglicht«, so Schirmer.

Das Sitzplatzangebot konnten sie durch die Integration des Brennstoffzellensystems von vier auf acht Sitzplätze erweitern. Denn ein leichtes Brennstoffzellensystem gleicht den zusätzlichen Leistungsbedarf, der durch eine höhere Personenanzahl entsteht, aus, ohne dabei – wie bei zusätzlichen Akkus der Fall – selbst zu stark ins Gewicht zu fallen.

Im Boot ist ein Stack mit dem Dichtungskonzept Laminierung eingesetzt. »Der Grund ist, dass der Stack von einem kommerziellen Hersteller auf einer Kleinserienanlage gefertigt werden kann. Bei dem zweiten Dichtungskonzept, wo die einzelnen Komponenten versiegelt werden, stellt der dazu eingesetzte Stack nur einen Prototypen dar.«

Außerdem wurde auf eine kommerzielle Membran (Nafion) zurückgegriffen. »Die im Projekt entwickelten Membranmaterialien konnten in diese Entwicklungen nicht einfließen, da sie relativ früh gestartet werden mussten, um sie im Rahmen des Projektes abschließen zu können.«

Als nächsten Schritt sieht Schirmer eine Weiterentwicklung vom Demonstrator zum Produkt. »Die Partner können nun mit den erreichten Ergebnissen in die Vermarktung und Weiterentwicklung ihrer Komponenten gehen.«

Erschienen in Ausgabe: 04/2010