01.04.2005

Moderne Wasserstofftechnologie

Zwei Fraunhofer-Institute stellen klimataugliche Mikro-Brennstoffzellen und langzeitstabile SOFC Stacks vor.

Zwei Fraunhofer-Institute stellen auf der Hannover Messe klimataugliche Mikro-Brennstoffzellen und langzeitstabile SOFC Stacks vor.

Die neuesten Fraunhofer-Entwicklungen in der Wasserstofftechnologie gibt es auf dem Stand "Hydrogen and Fuel Cells" der Hannover Messe zu sehen. So zeigt das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe IKTS langzeitstabile SOFC-Stacks mit einer Leistung von 1 kW _{_el} für den Einsatz in der dezentralen Energieversorgung. Diese Hochtemperatur-Brennstoffzellen können mit fossilen Brennstoffen sowie Biogas betrieben werden. Zudem stellt das Institut eine ultradünne Mikrobatterie für die Integration in Sensorkarten vor. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE präsentiert ein außentaugliches, seriennahes Mikro-Brennstoffzellen-system für den Temperaturbereich von -20 °C bis +40 °C. Zielmärkte sind Anwendungen in der netzfernen Mess- und Regelungstechnik, die einen deutlichen Trend zur dezentralen Energieversorgung von Systemkomponenten aufweist.

Brennstoffzellenstack beim Tieftemperaturtest. (Quelle: Fraunhofer ISE)

Die vom Fraunhofer IKTS entwickelte, mit <0,5 mm ultradünne Mikrobatterie zielt auf mobile, hochintegrierte und kostengünstige Anwendungen, bevorzugt im Scheckkartenformat. In miniaturisierten elektronischen Produkten soll sie gemeinsam mit Sensoren, Elektronik sowie Datenschnittstelle integriert werden. Die Primärbatterie besteht aus einer Silberoxid-Kathode und einer Zink-Anode, die mittels Dickschichttechnik definiert auf die Stromkollektoren abgeschieden werden. Die Flexibilität der Dickschichttechnik ermöglicht dabei die Realisierung elektrochemischer Zellen mit unterschiedlichen Kapazitäten. Die Kapazität des ultradünnen Stromlieferanten beträgt 15 mAh, die Zellspannung 1,5 V.

Der umfassende Einsatz von Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC = Solid Oxide Fuel Cells) in der dezentralen Energieversorgung setzt Lösungen für die Verbesserung der Langzeitstabilität, der elektrischen Kontaktierung im Kathodenraum und die Reduzierung der zurzeit noch hohen Kosten voraus. Das Fraunhofer IKTS führt seit mehr als zehn Jahren Forschungsarbeiten zur SOFC durch und stellt nun Stacks mit einer Leistung von 1 kW _{_el} vor, die eine prognostizierte Lebensdauer von 40 000 h erreichen. Ein besonderer Vorteil ist der hohe Gesamtwirkungsgrad der SOFC von rund 80 %.

Bei der dezentralen Anwendung in einem CHP-System (Combined Heat and Power) sind Stack-Einheiten im Bereich von 1 bis 5 kW _{_el} erforderlich. Das System als Peripherie sichert die Aufbereitung und Bereitstellung des Brenngases, die Auskopplung und Nutzung der Wärme und die Spannungswandlung auf 220 V Wechselspannung. Zielanwendung für solche Systeme ist die Strom- und Wärmeversorgung von Ein- und Mehrfamilienhäusern, wobei als primärer Energieträger nur Erdgas oder Biogas benötigt wird.

Das Fraunhofer ISE entwickelt Brennstoffzellensysteme im niedrigen Leistungsbereich und weitete neuerdings deren Anwendungsbereich auf extreme Betriebstemperaturen und Luftfeuchtigkeit aus. Außentemperaturen unter dem Gefrierpunkt bzw. hochsommerliche 40 °C stellen die Forscher dabei vor zusätzliche Herausforderungen. Weil bei tiefen Temperaturen die Reaktionsfeuchtigkeit in der Brennstoffzelle zu Eis gefriert und andererseits bei hohen Temperaturen die Membran-Elektroden-Einheit austrocknet, war bisher in beiden Fällen ein Betrieb der Brennstoffzelle nicht möglich. Dem Fraunhofer ISE ist es jetzt gelungen, mit Hilfe eines vollautomatisierten Brennstoffzellen-Teststands mit integrierter Klimakammer extreme Betriebsbedingungen nachzubilden und praxisrelevante Lösungskonzepte zu entwickeln. Durch entsprechende Führung der kalten und warmen Luftströme in einem neuartigen Gehäusekonzept wird die Heizung bzw. Kühlung des Systems unterstützt. Mit Hilfe einer innovativen, mikroprozessorgesteuerten Regelung ist nun ein zuverlässiger Kaltstart bei -20 °C ebenso möglich wie der sichere Betrieb des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen bis über 40 °C.

Quelle: idw

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