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Brennstoffzelle: Komponenten

Brennstoffzelle: Komponenten


Das zentrale Element und Herzstück eines jeden Brennstoffzellensystems ist der Brennstoffzellen-Stack, welcher sich aus den wiederholenden Einzelzellen zusammensetzt. Diese repetitiven Zelleinheiten bestehen aus Bipolarplatten (BPP), Gasdiffusionslagen (GDL), einer Membran-Elektroden-Einheit (engl. MEA) und Dichtungen. Umfasst werden diese von den sogenannten Balance-of-Stack- (engl. BOS) Komponenten und ergeben den Stack. Damit die Kosten für Brennstoffzellen-Systeme auf einen serientauglichen Stand gelangen und höchste Leistungen erreicht werden können, muss jede einzelne Komponente besser verstanden und stetig verbessert werden. Dazu ist es notwendig. Eignung und Eigenschaften von Materialien und die zur Verarbeitung benötigten Fertigungstechnologien zu untersuchen. Besonders Aspekte der industriellen Produktion, die eine deutlich günstigere und schnellere Produktion bei hohen Qualitätsansprüchen gewährleistet, stehen im Fokus der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten.

Bipolarplatten (BPP) erfüllen in einer Brennstoffzelle mehrere Zwecke und müssen dafür spezielle Eigenschaften aufweisen. Sie umschließen die einzelnen Zellen, gewährleisten den Medientransport und leiten den Strom ab. Für die daher benötigte elektrische Leitfähigkeit, Gasdichtheit, mechanische Stabilität und Korrosionsstabilität werden bisher BPP aus beschichteten Metallen oder kohlenstoffhaltigen Materialien hergestellt. Um von einer diskontinuierlichen Herstellung mit geringen Produktionszahlen hin zu einer kontinuierlichen und voll automatisierten Fertigung zu gelangen, erfordert es intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit. Dabei stehen Aspekte der Werkstoffeignung sowie die Fertigungsverfahren zur Umformung, der Vereinzelung, dem Fügen, dem Prüfen der Dichtigkeit und dem Handling der einzelnen BPP im Fokus der Projekte.

Gasdiffusionslagen (GDL) stellen die Schnittstelle zwischen der Medienzufuhr über die Bipolarplatte (BPP) und dem Katalysator auf der MEA dar. Sie gewährleisten eine stetige und gleichmäßige Zufuhr von Edukten an die Katalysatorschicht sowie den Abtransport der entstehenden Produkte. Damit diese Anforderungen erfüllt werden können, werden gleichzeitig sowohl hydrophobe als auch hydrophile Eigenschaften benötigt. Mit dem Ziel möglichst hohe Leistungen und Lebensdauern zu realisieren, befassen sich Forschung und Entwicklung für die GDL mit den verwendeten Materialien, deren Funktionalisierung und den Fertigungstechnologien.

Die elektrochemischen Reaktionen der Brennstoffzelle finden an der Membran-Elektroden-Einheit (engl. MEA) statt, welche sich aus der halbzellseparierenden Membran und der aufgetragenen Katalysatorschicht zusammensetzt. Mit der stofflichen Zusammensetzung, den Katalysatoren und ihrer Struktur ist sie somit maßgeblich für die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Brennstoffzelle verantwortlich. Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur MEA haben vornehmlich die Optimierung der stofflichen und strukturellen Zusammensetzung, damit einhergehend die Optimierung von Leistungsfähigkeit und Lebensdauer und die Entwicklung von Fertigungsverfahren mit Hinblick auf eine Skalierung der Produktion, zum Thema.

Dichtungen selbst stellen keine aktive Komponente in Brennstoffzellen dar. Dennoch werden sie für eine zuverlässige Funktion und höchste Effizienz der Brennstoffzellen benötigt. Selbst bei starker Beanspruchung und stetiger Nutzung muss die Dichtigkeit des Systems aus Sicherheitsgründen und zur Vermeidung von Systemausfällen gewährleistet werden.