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Die Mobilitätsfrage

 
 
 
 
 

Bernhard BrÜne

Neu entwickelte Hochspannungsbrennstoffzelle

«Götterdämmerung für den Verbrennungsmotor?»

Gummersbach - Hochspannungsbrennstoffzellen sind die idealen Energiewandler der Zukunft, in mobilen und stationären Systemen. Neue Märkte entwickeln sich, neue dynamische Unternehmen lösen schlafende Riesen ab und unsere Umwelt wird geschont. Das Unternehmen Tedatex Industrie GmbH hat die Hochspannungsbrennstoffzelle entwickelt, zur Serienreife gebracht und plant jetzt den Verkauf. Ein interessierter industrieller Kaufinteressent erwirbt die Schutzrechte für Europa, die Fertigungstechnologie, das fertige und professionell geplante Fabrikkonzept und das Netzwerk potentieller Zulieferer und Zielkunden.

Die Hochspannungsbrennstoffzelle, welche Tedatex Industrie GmbH jetzt zur Serienreife entwickelt hat, und sogar eine professionalle Fabrikplanung zu deren industrieller Herstellung bereitstellt, ermöglicht eine einfache Skalierung der elektrischen Leistung z.B. von 0,5 kW für kleine Anwendungen, bis zu 120 kW / 250 kW z.B. für den Betrieb von Straßenfahrzeugen oder HSBZ-Module mit bis zu 1,4 MW für Schienenfahrzeuge oder den Schiffbau. Die HSBZ ist stets als hybrides System aufgebaut, kombiniert mit einer geeigneten Batterie, welche die Startenergie liefert und der Rekuperation von Bremsenergie dient.

Wasserstoffquellen

Es gibt kaum noch eine Lücke in der Prozesskette, von der Energieerzeugung bis zur Brennstoffzelle: Erneuerbare Energien werden emissionsfrei mit Windkraft oder Sonnenenergie erzeugt: Elektrischer Strom, der in lokale oder überregionale Verbrauchernetze eingespeist wird. Zur Entkoppelung von Energieangebot und -nachfrage wird dieser Strom für die Erzeugung von Wasserstoff genutzt. Dafür gibt es Elektrolyseure, ebenfalls elektrochemische Systeme, in denen der Brennstoffzellen-Prozess umgekehrt abläuft. Der Wasserstoff wird in Tanks gesammelt, bedarfsgerecht für die Rückverstromung mit Brennstoffzellen bereitgestellt und mit Pipelines viele Kilometer weit transportiert. Der Elektrolyseprozess trennt Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Der Sauerstoff ist sehr rein und kann für medizinische, sportliche und industrielle Zwecke vermarktet werden. Es bieten sich lokale Aktivitäten an: Investitionen in Wasserstofftechnik mit regionalen Strom-, Wärme- und Gasnetze. Solche Energieinseln machen Verbraucher unabhängig von überregionalen Netzen und Angeboten der großen Konzerne.

Hochspannungsbrennstoffzelle (HSBZ)

Zentrale Baugruppe einer jeden Brennstoffzelle ist die sogenannte Membranelektrodeneinheit (MEA). Eine gasdichte Membran in der MEA erlaubt, Wasserstoffprotonen von der Wasserstoffseite zur Sauerstoffseite zu leiten. Dies nachdem vorher die Elektronen des Wasserstoffs über eine Stromleitung zum Verbraucher und weiter zur Sauerstoffseite der Brennstoffzelle geführt wurden. Dort rekombinieren sich Wasserstoffprotonen, die zugeführten Elektronen und der bereitgestellte Sauerstoff zu Wasser. Dabei spielen Katalysatoren eine große Rolle, früher teures Platin, mittlerweile preiswertere Platinersatzstoffe. Das hilft, den Systempreis nach unten zu treiben. MEA werden zwischen Stapelplatten zu einem Stapel aufgebaut, in HSBZ sind das Kühl- und Medienmodule (KMM). Bipolarplatten nach dem Stand der Technik werden nicht benötigt. Die Zellen einer HSBZ werden in viele Teilzellen unterteilt, elektrisch in Reihe verschaltet. Die Erzeugung einer hohen Stapelspannung, bei gleicher Leistung erlaubt einen deutlich geringeren Stapelstrom: Reduzierung der Kupferquerschnitte im Gesamtsystem, z.B. für Stromleiter, Stromrichter und Aktoren. Es sinken die ohmschen Verluste in Stromleitern und die Kosten des Gesamtsystems. Kupfer entwickelt sich inzwischen zu einem seltenen und deshalb sehr teuren Rohstoff. Daher liegt es nahe, eine Systemlösung anzubieten, die weniger Kupfer erfordert: Schonung unserer Ressourcen.

Fertigung der Hochspannungsbrennstoffzelle

In HSBZ werden viele Teilzellen in einer Zellenebene angeordnet. Ein Beispiel:
35 Teilzellen / Zelle und nur 52 Zellen / Stapel, mit einer elektrischen Stapelleistung von 150 kW (etwa 1.225 V Stapelspannung, 120 A Stapelstrom). In diesem Beispiel beträgt der Stapelquerschnitt ca. 700 x 700 mm und die Stapellänge nur 150 mm. Damit steht ein schlankes Modul zur Verfügung, das insbesondere in engen Bauräumen von Fahrzeugen sehr gut eingepasst werden kann. Dabei sind die Herstellkosten um bis zu 30% geringer, im Vergleich mit dem Stand der Technik. Bekannte Konstruktionen und Fertigungsverfahren leisten das auf keinen Fall.

Dabei sind nicht nur die Fertigungskosten zu reduzieren, sondern auch die Präzision der erzeugten Baugruppen deutlich zu steigern. Der Stapelaufbau liefert durch eine raffinierte Laminattechnik einen homogenen Bauraum für die elektrochemischen Komponenten: Die MEA kann durch einen deutlich höheren spezifischen Strom belastet werden. Mit einem bestimmten Katalysatoraufwand ist zukünftig die doppelte elektrische Leistung erreichbar. Dabei werden für die Serienfertigung kontinuierlich arbeitende Fertigungssysteme eingesetzt und „vom Coil“ gearbeitet. Sie lösen bisher übliche taktgebende Verfahren ab. Der Fertigung von Stapelkomponenten folgt die Stapelbildung, sowie die mehrstufige Montage mit jeweils nachgeordneten Testzyklen. Hochspannungsbrennstoffzellen sind einfach demontierbar, weshalb ein leistungsfähiges Recyclingkonzept umsetzbar wird: Der umweltfreundliche Lebenszyklus der Hochspannungsbrennstoffzelle.

Vorteile der neuen Bauart

Die in der Vorfertigung erzeugten KMM bilden den präzisen und deshalb „homogenen“ Bauraum für die MEA. Der Strom wird in der Zellenebene und nicht in der Stapelachse geführt. Das hat viele Vorteile, z.B. weil die Stromleitung nicht durch das Kühlmedium erfolgt, was den Einsatz einfacher und günstiger Kühlmedien erlaubt.

Die medienführenden Kanäle für Wasserstoff und Sauerstoff in den KMM liegen nicht mehr offen auf der MEA auf: Die Medienführung erfolgt über feine Mikrokanäle und -bohrungen.
Dadurch werden Strömungsverluste reduziert, etwa um den Faktor 5-10 im Vergleich mit dem Stand der Technik und die Ableitung des Produktwassers auf der Sauerstoffseite vereinfacht.
Der Stromübergang erfolgt über ebene Flächen, die nur durch die Mikrobohrungen
unterbrochen werden: Deutlich reduzierte Stromübergangsverluste und Vermeidung von Stromspitzen an Kanalkanten, wie sie beim Einsatz von Bipolarplatten (Stand der Technik) üblich sind. Da die MEA eben auf den KMM aufliegen, ist auch bei hohen Mediendrücken die mechanische Beanspruchung der sensiblen Membranen deutlich geringer. Damit werden wiederum geringere Membranstärken möglich, etwa um elektrische Verluste beim Protonendurchgang zu reduzieren.

Schließlich wird durch die Bauart ein flacher und schlanker Stapelkörper möglich. Dessen Besonderheit darin besteht, dass er durch individuelle Konfiguration der Teilzellen und Zellen
problemlos an die jeweilige Einbausituation angepasst werden kann. Das Kühlsystem ist sehr leistungsfähig, weil alle Medien über viele Kanäle zur Stirnseite des Stapels geführt werden. Flache Stapel mit großem Querschnitt begünstigen diesen Effekt.

Fazit

Hochspannungsbrennstoffzellen sind ein wesentlicher Baustein der Wasserstofftechnik. Diese Bauart zeichnet sich durch deutliche Reduzierung der Herstellkosten und Betriebskosten aus. Voraussetzung ist eine Serienfertigung, um die erforderliche Präzision zu ermöglichen. HSBZ können einfach an die individuellen Bauräume angepasst werden, z.B. im Unterboden eines Fahrzeugs.

Es besteht Handlungsbedarf: Anwendungsnaher Prototyp und anschließend der Aufbau einer Pilotfertigung. Die damit gewonnenen Erfahrungen fließen in die Serienfertigung ein.

Tedatex bietet die Schutzrechte für die HSBZ und Know-how zum Kauf an.


29. September 2018


Bernhard Brüne

Bernhard Brüne machte eine Lehre als Werkzeugmacher, studierte an der Ingenieurschule in Gummersbach Konstruktionstechnik (Ing.-grad)
und an der RWTH Aachen Fertigungstechnik (Dipl.-Ing.).

Er ist Geschäftsführender Gesellschafter der Tedatex Industrie GmbH in Wiehl bei Gummersbach. Tedatex wurde 1981 gegründet und ist seither für die Industrie tätig als Planungsunternehmen für die Entwicklung neuer Produkte, Technologien und Prozesse sowie Fabrikstrukturanalyse und -planung.

www.tedatex.de