Kosteneffiziente Produktion von Brennstoffzellen-Systemen

Im Rahmen des Vorhabens INN-BALANCE arbeitet ein Projektteam aus neun europäischen Institutionen an der Entwicklung einer neuen Generation von hocheffizienten Brennstoffzellensystemen, die sich durch ein an die industrielle Herstellung angepasstes Design der Balance-of-Plant- (BoP) sowie der BZ-Systemkomponenten auszeichnen sollen. Damit sollen die Kosten im Vergleich zu bestehenden Marktprodukten signifikant gesenkt werden. Der Startschuss für das durch die EU geförderte Projekt fiel im Januar 2017.

Die Gesamtarchitektur des neuen Brennstoffzellensystems basiert auf dem S3-Stack des Projektpartners PowerCell, der im Rahmen des Vorläuferprojekts Autostack CORE (von 2013 bis 2017 von FCH JU gefördert; s. S. 39, Abb. 3) als erste einheitliche europäische Automobil-Stack-Plattform entwickelt wurde.

Im ersten Projektjahr definierten die Partner zunächst die Systemanforderungen und entwickelten ein neues Gehäuse für den Brennstoffzellenstapel sowie entsprechende Betriebsstrategien für verschiedene Module. Die Architektur ist jetzt für einen Leistungsbereich von 80 bis 120 kW ausgelegt. Das Gehäusedesign wurde an die Einbaulage und die zu erfüllende Schutzart angepasst. Eines der Ziele war zudem, alle elektrischen Anschlüsse auf einer Seite zu bündeln.

Als Schnittstelle zwischen dem Brennstoffzellenstapel und den vorderen Teilen der Sub-Module wurde ein spezieller „Pod“ vorgesehen, der als Adapterplatte fungiert. Von dem Anodenmodul sind alle Teile entweder hier integriert oder am Stapel-Pod angegliedert. Nicht so das Kühlungs- sowie das Kathodenmodul, die aufgrund ihrer Größe eine geringere Integration in den Pod aufweisen.

Bei senkrecht positionierter Brennstoffzelle befinden sich am unteren Ende sowohl die Zufuhrventile als auch die Ablässe für Wasserstoff, Luft und Kühlungsmittel: insgesamt sechs Anschlüsse. Die Öffnungen sind für jede Flüssigkeit unterschiedlich, In- und Outlets haben aber jeweils die gleichen Größen und Formen. Die Kühlungsmittelzufuhr liegt direkt neben der Luftzufuhr, während die Wasserstoffzufuhr auf der gegenüberliegenden Seite am unteren Ende des Stapels installiert ist. Oben auf dem Stapel, auf derselben Seite wie die Kühlungsmittelablässe, ist ein Anschluss verbaut, mithilfe dessen eventuell im Kühlungszyklus eingeschlossene Luftblasen abgesaugt werden können. Damit sichergestellt ist, dass keine Luft innerhalb des Stapels eingeschlossen wird, muss ständig ein minimaler Kühlmittelfluss gewährleistet werden.

Systemfunktionalitäten

Im Rahmen von INN-BALANCE wurden spezielle Betriebsstrategien für das Anoden-, Kathoden- und Kühlungsmodul entwickelt. Die für das Anodenmodul gewählte Strategie sieht vor, eine integrierte Ejektor-/Injektorlösung anzuwenden, die ohne mechanische Rezirkulierungspumpe betrieben werden kann. Diese kompakte Lösung kann zwischen dem Ausfuhr- und dem Zufuhranschluss der Anode verbaut werden. Ein H2-Wärmeaustauscher für die Vorwärmung ist im Anodenmodul integriert, um eine Kondensation zu verhindern, wenn kalter, trockener Wasserstoff mit aus dem Stapel-Ausflussventil strömendem warmem, feuchtem Stickstoff und Wasserstoff vermischt wird. Dank dieser Lösung verfügt das Anodenmodul über eine mechanische Schnittstelle mit dem Hochtemperatur-Kühlungskreislauf.

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Autoren: Dr. Marie-Eve Reinert, Steinbeis 2i GmbH, Karlsruhe, Dr. Alicia Arce, Fundacion Ayesa, Sevilla, Spain, Dr. Per Ekdunge, PowerCell Sweden AB

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