Während sich Elektro- und Hybridfahrzeuge (EV bzw. PHEV) als ausgereiftere Technologien fest etabliert haben, bedarf die sichere, bequeme und kostengünstige Speicherung von elektrischer Energie noch umfassender Entwicklungsarbeit. Als eine mögliche Alternative zu teuren Akkus untersucht der Großteil der Hersteller weltweit die Möglichkeiten der Nutzbarmachung von Wasserstoff zur Stromerzeugung, um elektrische Fahrmotoren anzutreiben.
Wasserstoff-Brennstoffzellen, welche eine Protonenaustauschmembran nutzen, auch Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzelle (PEMBZ) genannt, werden schon in der Kleinserienproduktion von Fahrzeugen wie dem Toyota Mirai verwendet.
Brennstoffzellen bestehen aus zwischen Separatoren angeordneten Membran-Elektroden-Einheiten (MEA). Eine MEA ist eine feste Polymer-Elektrolyt-Membran, auf der Katalysatorschichten angebracht sind.
Durch eine chemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff erzeugen diese Zellen Strom: Um Strom zu erzeugen, werden in der Brennstoffzelle der Anode (negative Elektrode) Wasserstoff und der Kathode (positive Elektrode) Umgebungsluft zugeführt.
Da eine Zelle weniger als ein Volt liefert, sind mehrere Hundert Zellen hintereinander angeordnet, um die Spannung zu erhöhen. Die Gesamtheit der Zellen wird als Brennstoffzellen-Stack (BZ-Stack) bezeichnet.
Während kleine PEM-Brennstoffzellen mit normalem Luftdruck betrieben werden, werden größere Brennstoffzellen – 10 kW oder mehr – in der Regel mit höherem Druck betrieben. Die Vor- und Nachteile für den Betrieb mit höherem Druck sind vielschichtig und die Argumente nicht wirklich eindeutig; für beide Positionen lassen sich viele überzeugende Gesichtspunkte anführen.
Wasserstoff verringert die Lebensdauer der eingesetzten Messtechnik.
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Aufladung der Wasserstoff-Brennstoffzelle
Wie auch bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren dient eine Druckerhöhung in einem BZ-Stack der Steigerung der spezifischen Leistung; also dazu, bei gleicher Zellgröße mehr Leistung zu entnehmen. Im Idealfall sind Kosten, Größe und Gewicht einer Kompressionsvorrichtung geringer als Kosten, Größe und Gewicht für die Vergrößerung des BZ-Stacks, um ein Plus an Leistung zu erzielen.
Im Fall von Verbrennungsmotoren überwiegen die Vorteile einer Druckerhöhung eindeutig die Nachteile. Bei Brennstoffzellen ist das Verhältnis von Vor- und Nachteilen jedoch ausgeglichener. Dies liegt vor allem daran, dass der Abgasstrom einer PEMBZ sehr gering ist und jeder Kompressor weitgehend oder vollständig mit dem von der Brennstoffzelle erzeugten wertvollen Strom angetrieben wird.
Abbildung 1: Schematische Darstellung eines Brennstoffzellen-Systems (Bildquelle: James Larminie, Andrew Dicks (Fuel Cell Systems explained))
Beim einfachsten Typ einer druckaufgeladenen PEM-Brennstoffzelle kommt das Wasserstoffgas aus einem Hochdruckzylinder. Bei dieser Ausführung muss nur die Luft komprimiert werden; das Wasserstoffgas wird aus einem Druckbehälter eingespeist, weshalb es quasi „gratis“ komprimiert wird. Diese Methode, bei der der Anode Wasserstoff zugeführt wird, bezeichnet man im Englischen als „Deadening“; das bedeutet, dass keine Ableitung oder Zirkulation des Gases stattfindet – es wird von der Zelle vollständig verbraucht.
Allerdings muss der Luftkompressor durch einen Elektromotor angetrieben werden, der natürlich einen Teil des wertvollen Stroms aus der Brennstoffzelle verbraucht. In der Regel macht der Stromverbrauch für ein 100 kW-System etwa 20 % der Energie der Brennstoffzelle aus. Um den optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, muss die Druckluft – wie auch bei einem Verbrennungsmotor – vor dem Eintritt in die PEM-Zelle gekühlt werden.
Druckausgleich zur Leistungsoptimierung
Da es sich um eine noch junge, aufstrebende Technologie handelt, müssen Zuverlässigkeit und Haltbarkeit dieser „aufgeladenen“ Brennstoffzellen getestet und entwickelt werden, wenn sie eine breite Anwendung finden sollen. Daher wird ein beträchtlicher Forschungs- und Entwicklungsaufwand betrieben, um sowohl Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Zellen zu verbessern.
Die Durchführung von Tests unter kontrollierten Bedingungen ist ein wichtiger Schritt in Richtung Realisierbarkeit und Akzeptanz von Brennstoffzellen. Detaillierte Messdaten sind die entscheidende Grundlage für die Gestaltung von Brennstoffzellenantrieb-Modellen. Doch trotz des weitverbreiteten Interesses befinden sich geeignete Messverfahren bislang lediglich im Entwicklungsstadium.
In der Regel werden PEM-Brennstoffzellen in einem Druckbereich zwischen annähernd Umgebungsdruck und ca. 3 bar und bei Temperaturen zwischen 50 und 90 °C betrieben. Bei höheren Betriebsdrücken wird zwar eine hohe Leistungsdichte erzielt, aber der Nettowirkungsgrad des Systems fällt aufgrund der für die Kompression der Luft benötigten Energie möglicherweise geringer aus. Auch höhere Lufttemperaturen führen zu einer Steigerung der Leistungsdichte; allerdings können sie, vor allem bei niedrigeren Betriebsdrücken, eine nicht unerhebliche Herausforderung für den Wasser- und Wärmehaushalt darstellen.
Daher muss die Wahl von Betriebstemperatur und -druck eines PEM-Brennstoffzellensystems für den Einsatz im Automobilbereich auf (a) einem hohen Nettowirkungsgrad, (b) kleinen Bauteilen sowie (c) einem neutralen oder positiven Wasserhaushalt beruhen, damit das Fahrzeug keinen Wasserbehälter benötigt.
Die Leistungssteigerung durch den Betrieb einer unter höherem Druck stehenden PEM-Brennstoffzelle ist vor allem das Ergebnis einer geringeren Kathoden-Aktivierungsüberspannung: Die Druckerhöhung führt zu einer größeren Austauschstromdichte, was wiederum sichtbar die Leerlaufspannung anhebt. Dieser Effekt wird in der Nernst-Gleichung beschrieben.
Wie jedoch eben erwähnt, erfolgt diese Aufladung zulasten der von der unter Druck stehenden Brennstoffzelle produzierten Leistung; aus diesem Grund kommt der Anpassung des Drucks an die Anforderungen der spezifischen Brennstoffzelle eine große Bedeutung zu. Ebenso wie bei der Messung des Ladedrucks eines Verbrennungsmotors, ist dies nur durch genaue Druckmessungen mittels hochwertiger Drucksensoren möglich, die sorgfältigst für die Umgebung kalibriert wurden.
Diese Druckmessungen, die mit STS Sensoren in Laborqualität aufgezeichnet werden, werden dann mit der Leistung der BZ-Stacks verglichen, um parasitäre Verluste zu minimieren und die elektrische Leistung zu optimieren.
Mit dem Ausreifen der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie im Automobilbereich und mittels der Vorhersagemodelle, denen Daten aus realistischen Feldversuchen zugrunde liegen, werden Ingenieure und Forscher zweifellos ein besseres Verständnis für die komplexen Zusammenhänge zwischen Temperatur, Druck und Wirkungsgrad gewinnen: Aber bis es so weit ist, wird diese Forschung stark davon abhängen, dass Qualitätssensoren Daten präzise aufzeichnen.
