Energietechnik Neue Konstruktion öffnet Weg zur Brennstoffzellen-Massenfertigung

Brennstoffzellen sind als Energiewandler prädestiniert für die Energiewende: Die elektrochemischen Energiewandler, die aus Wasserstoff Strom, Wärme und Wasser erzeugen, arbeiten leise und emissionsfrei. Ein neues Brennstoffzellen-Konzept kommt jetzt ohne Bipolarplatte aus, was zahlreiche Vorteile mit sich bringt.

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Tedatex Industrie GmbH

Brennstoffzellen werden bisher durch das Aufeinanderstapeln flächiger Komponenten gebildet, im Wechsel eine Membranelektrodeneinheit (MEA) und eine Stapelplatte. Der elektrochemische Prozess findet in der MEA statt. Sie besteht aus einer gasdichten, protonenleitenden Membran, einem darin eingelagerten Elektrolyten und auf jeder Seite aus einer katalytischen Schicht in Kombination mit einer Lage poröser Stoffe (Gasdiffusionslage – GDL). Die GDL verteilt einströmende Gase und leitet abströmende Restgase, Reaktionsprodukte sowie die Reaktionswärme ab. Die Stapelplatten liegen auf den Gasdiffusionslagen (GDL) auf, bewirken den Gasaustausch mit der MEA und beeinflussen die Qualität der in der MEA ablaufenden Reaktion und Stromableitung.

Bisherige Bipolarplatten senken den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle

Die Stapelplatten in den aktuellen Brennstoffzellen sind als Bipolarplatten bekannt. Zurzeit werden sie noch ausschließlich mit taktgebenden Verfahren hergestellt, zum Beispiel aus Spritzguss (kohlenstoffgeträgerte Kunststoff-Bipolarplatten) oder aus hoch legierten Stahlfolien, geformt mit Innenhochdruckumformung und gasdichtem Schweißen.

Sowohl Kunststoff als auch Stahl sind kritische Stromleiter und reduzieren den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle. Der Strom fließt in der Stapelachse (bipolares Prinzip) und durch die Kühlebene beziehungsweise das Kühlmedium. Ein weiterer Nachteil ist der konstruktive Konflikt, wenn offen auf der GDL aufliegende Mäanderkanäle und verbleibende Stege einer Bipolarplatte zu dimensionieren sind. Die Größe der Reaktionsfläche einer Zelle ist auf ≤ 300 cm² begrenzt, um Ausgleichsströme aufgrund inhomogener Reaktionen in der MEA-Ebene zu vermeiden.

Ausgehend von wirtschaftlichen Gesichtspunkten und Serienaspekten ist es Entwicklern der Tedatex Industrie GmbH, Wiehl, gelungen, ein vom Stand der Technik stark abweichendes, neues Brennstoffzellen-Konzept zu definieren und ihre wichtigsten theoretisch vorhergesagten Eigenschaften auch nachzuweisen.

Neue Stapelplatte enthält alle stromführenden Funktionselemente und medienführenden Kanäle

In der neuen Stapelplatte, dem so genannten Kühl-und-Medienmodul (KMM), sind alle stromführenden Funktionselemente und medienführenden Kanäle vorgesehen. In KMM werden Prozessgase und Kühlmedien geführt, während der Strom in der Zellenebene der KMM fließt. Der Schlüssel für diese Lösung ist der Einsatz metallischer Folien, spezieller Kunststoffe und Fügetechniken. Nachdem die Strukturen vorgefertigt wurden, die für die Medien- und Stromführung im KMM erforderlich sind, werden solche Werkstoffe und Halbzeuge zu einem Laminat verarbeitet. Bild 1 zeigt das Prinzip des KMM.

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