Neue Konstruktion öffnet Weg zur Brennstoffzellen-Massenfertigung

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Tedatex Industrie GmbH

Auf beiden Seiten eines KMM, mit einer Wasserstoff- (H₂) und einer Sauerstoffseite (O₂), ist eine Elektrodenabdeckung mit einem Feld feiner Mikrobohrungen angebracht. Diese sind getrennt für einströmende Gase einerseits und ausströmende Gase sowie Reaktionsprodukte andererseits und mit innen liegenden Mikrokanälen verbunden. Die Elektrodenabdeckung liegt auf der GDL auf und führt den Strom in der Zellenebene.

Separate Mikrokanäle verhindern Gasverarmung in der Brennstoffzelle

Das Ergebnis ist eine homogene Gasver- und -entsorgung durch die separaten Mikrokanäle, ohne Gasverarmung in diesen Kanälen. Nur die Mikrokanäle für die Ausströmung, insbesondere auf der O₂-Seite, werden mit Reaktionsprodukten (Wasser oder Dampf) angereichert. Die absoluten Gasdrücke und -mengen können daher reduziert werden, womit ein fast stöchiometrischer Brennstoffzellenbetrieb möglich wird. Zudem ist das Spannsystem aufgrund der geringeren Druckkräfte im Stapel kleiner dimensioniert. Die Anordnung von Elektrodenabdeckung mit Mikrobohrungen und dahinter liegenden Mikrokanälen schafft eine gleichmäßige Auflage der Elektrodenabdeckung auf der GDL. Die Anordnung begünstigt die optimale und homogene Gas- beziehungsweise Stromführung, vermeidet weitgehend die Wahrscheinlichkeit inhomogener Reaktionen durch Ausgleichsströme und ist einer der Gründe für höhere spezifische Leistungen.

Das in KMM integrierte Kühlsystem (Kühlzone) ist nicht stromführend. Die Stromführung außerhalb der Kühlzone eines KMM eröffnet deshalb neue Varianten bei der Auswahl des Kühlmediums und der Gestaltung der Kühlflächen. Möglich sind sogar zwei Kühlsysteme, die in einem KMM gleichzeitig im Gegenstrom betrieben werden können, zum Beispiel flüssig/gasförmig. Insbesondere für Niedertemperaturanwendungen kann eine aktive Produktwasserableitung ohne Einbau zusätzlicher Pumpen integriert werden.

Die Bauweise erlaubt die Skalierung einer Zelle in mehrere Teilzellen, also mit mehreren Teilreaktionsflächen in einer Zellenebene mit einer deutlich vergrößerten Gesamtreaktionsfläche pro Zelle, zum Beispiel 650 cm². Damit ergeben sich erhebliche wirtschaftliche und technische Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik. Durch die neue Entwicklung werden flächige Stapel erzeugt mit vergleichsweise hohen Stapel- beziehungsweise Zellspannungen und niedrigen Stapelströmen, wobei Teilzellen und Zellen je nach Anwendung in Reihe oder parallel geschaltet werden können. Es ergeben sich kostengünstige Gesamtsysteme, allerdings mit speziellen Sicherheitsanforderungen, falls durch Skalierung höhere Stapelspannungen realisiert werden (lokales Hochspannungsnetz).

Weitere besondere Eigenschaften der Entwicklung sind:

• spezifische Zellströme von 1,0 A/cm² und mehr, abhängig von der eingesetzten MEA,

• skalierbare Stapelspannung und Stapelstrom,

• Zellenraster < 2,5 mm (Abstand von einer Zellenmitte zur nächsten Zellenmitte),

• fertigungstechnisch nahezu baugleiche Stapel für Elektrolyseure und Brennstoffzelle,

• preiswerte, leichte, verfügbare und leistungsfähige Materialien

• toleranter Stapelaufbau für unterschiedliche MEA-Typen mit Niedertemperatur- oder Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran,

• etwa um den Faktor fünf geringere Druckverluste im Vergleich zum Stand der Technik und

• homogene Reaktion, was eine fast stöchiometrische Betriebsweise erlaubt.

Die Entwicklung der MEA selbst war nicht Gegenstand der Tedatex-Entwicklung.

KMM können mit kontinuierlichen Prozessen gefertigt werden, zum Beispiel durch die Folienabwicklung und Folienverarbeitung vom Coil mit Bandgeschwindigkeiten von 50 m/min, bei einer Standardfolienbreite von 2,2 m. Dabei werden so genannte KMM-Tafeln mit zum Beispiel 16 Nutzen (Stapelquerschnitte) gefertigt, die im Bereich der Hochzeit quergeteilt und zu einer Stapelgruppe vereint werden: KMM-Tafel + MEA-Tafel (Bild 2). Danach erfolgt die Endmontage der Stapel beziehungsweise der Stapelgruppe, die Vereinzelung der Stapel und schließlich die Gehäusemontage mit Gehäusevorfertigung sowie die weiteren Prozesse bis zum Versand.

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