Brennstoffzellenmodul 5-KW-Klasse (BZM 5)

Im Projekt konnte gezeigt werden, dass die Stacks in einem Nennleistungsbereich zwischen 3 kWel (18 Zellen, atmosphärischer Betrieb) und 40 kWel (200 Zellen, Druckbetrieb 2,5 bara) bereitgestellt werden können. Inzwischen wurde nachgewiesen, dass der Stack NM5 mit 260 Zellen und 60 Kilowatt noch optimal eingesetzt werden kann.

Leistungskennzahlen des NM5:

Leistungsdichte (Druckbetrieb 2,5 bara):

• 7,5 kW/l (aktive Fläche)
• 6,6 kW/l (eingesetzte Membranfläche)
• 4,1 kW/l (Zellstapel ohne Endplatten)

Leistungsdichte (Niederdruckbetrieb):

• 4,7 kW/l (aktive Fläche) und entsprechend skaliert

Es wurden Lebensdaueruntersuchungen in repräsentativen Lastzyklen durchgeführt, die ein typisches Betriebsfenster bei atmosphärischem Betrieb abdecken, ausgenommen explizite Start/Stopp-Tests. Die Betriebsdauer lag bei Projektende bei ca. 6.500 Stunden und wurde auf heute > 8.100 Stunden ausgeweitet mit Degradationsraten, die unter 6 μV pro Stunde und Zelle liegen, was einem Leistungsverlust von deutlich unter 10 % in 8.000 Stunden entspricht.

Mit einer neuen Zellkonfiguration, die in NM-5-Einzelzellen getestet wurde, wird eine Leistungsdichte von 8,4 kW/l (Druckbetrieb, s. o.), resp. 7,8 kW/l und 4,8 kW/l, erreicht. Damit hat ein Stack mit 400 Zellen eine Leistungsdichte von 3,6 kW/l.

Insbesondere erfüllt das Stackformat NM 5 in dieser neuen Konfiguration die FCH-JU-(MAWP)-Leistungsziele von 1 W/cm² bei einer Stromdichte von 1,5 A/cm² im unbefeuchteten Betrieb.

Die Verspanneinheit wurde auf Basis einer Kunststoff-Metall-Hybridbaugruppe realisiert und mittels experimenteller Tests und FEM qualifiziert, wobei insbesondere die bei fortschreitender Lebensdauer zu erwartenden mechanischen Eigenschaften beachtet werden mussten.

Im Medienmodul, das direkt auf der Endplatte integriert ist, sind aktive und passive Komponenten wie Druck- und Temperatursensoren, Ventile, Bypassleitungen und Tropfenabscheider integriert. Die Entwicklung der Funktionseinheit beinhaltet die fluidtechnische Auslegung der Subsysteme mit Tropfenabscheider sowie die Bereitstellung geeigneter Sensoren, die in enger Abstimmung mit Lieferanten entwickelt wurden.

Auch Kunststoffendplatte und Stromabnehmeraufbau wurden im Hinblick auf die Kaltstartfähigkeit des Stacks entwickelt. Dabei wurde insbesondere sichergestellt, dass die Wärmeleitung zwischen Endplatten und Randzellen sehr gering ist. Es wurde nachgewiesen, dass bis – 20 °C ein passiver Kaltstart, d. h. ohne jegliches Heizen von Stackkomponenten möglich ist.

Stack und Verspannungssystem sind für die in industriellen Anwendungen zu erwartenden Vibrations- und Stoßbelastungen ausgelegt. Entsprechend den Vorgaben in der Norm DIN EN 60068 Umgebungseinflüsse Teil 2 – 27 und Teil 2 – 64 wurde der Stack einer Schockprüfung bei 50 Gramm, wiederholenden Schockbelastungen von 1.000 Stößen bei 25 Gramm und einem Vibrationstest gemäß einem Rauschspektrums zwischen 10 Hz und 1 kHz ausgesetzt, ohne dass Einschränkungen der Funktion festgestellt wurden.

Mit der Entwicklung des Stackformats NM5 und des Moduls BZM 5 werden Produkte bereitgestellt, die ein breites Spektrum im Bereich industrieller Anwendungen bedienen. Die Produkte können in einem Leistungsbereich vom Flurförderzeug bis zum leichten Nutzfahrzeug vorteilhaft eingesetzt werden.