PowerPaste für mobile und autarke Brennstoffzellen

PowerPaste
MgH2-basierte PowerPaste, © IFAM

Die wichtigsten Vorteile von Wasserstoff als Sekundärenergieträger sind lange bekannt: hohe spezifische Energie, gute Wirkungsgrade, emissionsfreie Nutzung. Wasserstoff konnte sich jedoch bislang für viele denkbare Anwendungen noch nicht am Markt etablieren. Häufig erweisen sich die für diese Bereiche verfügbaren Speicherlösungen als zu kostenintensiv oder technisch problematisch. Ein größeres Hindernis stellt aber oft die fehlende Infrastruktur beziehungsweise die für diese Fälle zu teure Logistik dar. PowerPaste, eine Neuentwicklung des Fraunhofer IFAM, bietet das Potenzial, dies grundlegend zu ändern.

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Seit langem ist als Alternative zu heute gebräuchlichen H2-Speichern (Druck- oder Kryo-Tanks) die H2-Erzeugung durch die chemische Reaktion von Metallhydriden oder anderen leicht oxidierbaren Materialien mit Wasser in so genannten Hydrolyse-Reaktionen (altgriech. hýdor: Wasser; lýsis: Zersetzung) bekannt. So wurde Calciumhydrid unter dem Handelsnamen Hydrolith bereits seit 1910 als portable, kommerziell erhältliche Wasserstoffquelle zur Befüllung von Wetterballons und sogar Luftschiffen eingesetzt. [1, 2]

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Während diese Art der chemischen Erzeugung hauptsächlich aufgrund der hohen Kosten, einer besseren Verfügbarkeit von Gasflaschen, aber auch wegen zunehmender Sicherheitsbedenken und -regulierungen [3] für den Einsatz von Wasserstoff als Auftriebsgas zwischenzeitlich in den Hintergrund geriet, erhalten chemische H2-Erzeugungstechnologien heute durch den kommerziellen Einsatz von Brennstoffzellen wieder neue Fahrt.

Natriumborhydrid als H2-Speicher

Der Einsatz metastabiler Natriumborhydrid-Lösungen zur autarken H2-Herstellung wurde ursprünglich von Schlesinger im Jahre 1953 vorgeschlagen [4], insbesondere aber seit den 1980er-Jahren intensiver erforscht und für BZ-Anwendungen propagiert. [5] Natriumborhydrid reagiert auf ähnliche Weise wie Calciumhydrid mit Wasser: Neben Wasserstoff entsteht hier der Gefahrstoff Natriummetaborathydrat als Abfallprodukt (reizend und vermutlich reproduktionstoxisch, Kat. 2):

Vorteilhaft sind die höhere nominale H2-Kapazität im Vergleich zu Calciumhydrid sowie die etwas bessere Steuerbarkeit der H2-Freisetzung durch einen katalytischen Prozess. Einigen Lesern dürfte noch das ehemalige US-basierte Unternehmen Millennium Cell bekannt sein: Es wollte kurz vor seiner Insolvenz im Jahre 2008 als Hauptprodukt den tragbaren Stromgenerator HydroPak vertreiben, der durch Hydrolyse einer durch den Anwender anzumischenden Natriumborhydridlösung zunächst Wasserstoff erzeugen und diesen dann in einer PEM-Brennstoffzelle in Strom umwandeln sollte, um damit portable Geräte wie Laptops oder Fernseher mit Strom versorgen zu können. [6]

Ähnliche Kartuschenkonzepte verfolgen derzeit myFC mit den am Markt erhältlichen bzw. angekündigten deutlich kleineren Stromgeneratoren PowerTrekk (s. HZwei-Heft Apr. 2015) und JAQ oder HES mit der AEROPAK L-Serie als hydrolysebasierte Ultraleicht-Stromversorgung für unbemannte Luftfahrzeuge bzw. Drohnen.

Die Herausforderungen der Technologie bestehen jedoch unter anderem darin, dass bei allen genannten Lösungen der benötigte Gesamtenergiebedarf im Vorfeld abgeschätzt werden muss, da das Hydrid mit Wasser langsam zu Wasserstoff abreagiert, wenn beide Komponenten einmal vermischt sind – unabhängig davon, ob die Energie auch benötigt wird. Zudem kann prinzipbedingt nur ein vergleichsweise enger, vorher festzulegender Leistungsbereich abgedeckt werden.

Autoren: Dr. rer. nat. Marcus Tegel, Dr. rer. nat. Lars Röntzsch, beide Fraunhofer IFAM, Dresden

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