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Direktmethanol-Brennstoffzellen: DMFC

Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) wandeln den flüssigen Brennstoff Methanol direkt in elektrischen Strom um. Im Vergleich zu Brennstoffzellensystemen, die mit reinem Wasserstoff oder wasserstoffreichen Gasen aus Reforming-Prozessen betrieben werden, erfolgt die Brennstoffzufuhr direkt in die Zelle über flüssiges Methanol. Neben der sehr hohen Energiedichte des Methanols besticht die DMFC durch die einfache Handhabung und das problemlose Nachfüllen des Brennstoffs.

Schnelles "Auftanken" möglich

Der Brennstoffzellentyp eignet sich insbesondere zum Antrieb kleiner Fahrzeuge, galt aber lange Zeit als ausfallanfällig. DMFCs arbeiten mit flüssigem Methanol, das sich deutlich einfacher speichern lässt als reiner Wasserstoff. Der flüssige Brennstoff Methanol erweist sich vor allen Dingen beim Tanken im Vergleich mit Wasserstoff als vorteilhaft: Methanol kann innerhalb weniger Minuten einfach "aufgetankt" oder kanisterweise ausgetauscht werden und ermöglicht größere Reichweiten. Aus diesem Grund eignen sich DMFC-Systeme ideal als Batterieersatz für Kleinfahrzeuge und Roboter, die rund um die Uhr im Einsatz sind und beim Betrieb mit Batterien häufig nachgeladen werden müssen. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind Hilfsstromaggregate für die unterbrechungsfreie Stromversorgung, wie sie in Mobilfunkstationen und Rechenzentren benötigt werden.

Über 20.000 Stunden in Betrieb

Das Jülicher DMFC-System, ein Block aus 88 Einzelzellen mit einer Gesamtleistung von 1,3 kW, wurde durch ein Projekt des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert. Es wurde am 5. Juli 2010 in Betrieb genommen und einem dynamischen Dauertest unterzogen. Mittlerweile hat das System eine Laufzeit von über 20.000 Stunden erreicht und damit die anfänglichen Erwartungen von 5.000 Stunden deutlich übertroffen. Die Lebensdauer ist wichtig für den wirtschaftlichen Betrieb – die Zellen halten mittlerweile genauso lange wie die Fahrzeuge, für die Jülicher Wissenschaftler sie entwickelt haben.

Die Jülicher Brennstoffzellen zielen auf den Einsatz in elektrischen Hubwagen ab, wie sie in großen Umschlagzentren, den Knotenpunkten globaler Warenströme, zum Einsatz kommen. Die Hubwagen müssen nach rund 20.000 Betriebsstunden generalüberholt werden. Ein entsprechendes Lastprofil als Daten-Grundlage haben die Jülicher Wissenschaftler eigens in einem Umschlagzentrum für Lebensmittel bestimmt. Dort sind die Fahrzeuge Tag und Nacht in Gebrauch. Sie verladen die eintreffende, frische Ware auf Paletten für die Filialen. Die dazu notwendigen Fahrten, Brems- und Hebevorgänge werden am Jülicher Prüfstand nachgestellt. Da die wechselnden Aktivitäten starke Lastschwankungen nach sich ziehen, ist die Jülicher Anlage als Hybridsystem ausgelegt. Eine Batterie springt bei Spitzenlasten von bis zu 7 kW unterstützend ein und speichert darüber hinaus Strom durch Energierückgewinnung beim Bremsen des Fahrzeugs.

Die Laufzeit von Brennstoffzellen galt lange Zeit als Achillesferse dieser Technologie. Das erste System der Forscher brachte es 2002 im Labor auf eine Laufzeit von 50 Stunden. In den vergangenen Jahren gelang es den Jülicher Wissenschaftlern und Ingenieuren, die Technik für den realen industriellen Betrieb fit zu machen und die Betriebszeit im dynamischen Betrieb bis auf 20.000 Stunden zu steigern. Dabei erhöhten sie neben der Lebensdauer auch die Leistungsdichte und die Reichweite der DMFC.

Weitere Anwendungsfelder im Blick

Modul für einen Service-RoboterDMFC-Einheit für den Einsatz bei Service-Robotern.
Quelle: Forschungszentrum Jülich

Aktuelle Entwicklungsarbeiten zielen darauf ab, neben dem Batterieersatz in Hubwagen weitere Anwendungen zu erschließen. Hier liegt der Fokus auf den Bereichen Robotik und Notstromversorgung. Diese Anwendungen unterscheiden sich hinsichtlich der an die Brennstoffzelle gestellten Anforderungen deutlich von dem Einsatzfall im Hubwagen. Für die Robotik ist es zwingend notwendig, die Leistungsdichte zu steigern, während im Fall der Notstromversorgung der Fokus auf die Steigerung der Haltbarkeit in den unterschiedlichen Betriebszyklen (Regelbetrieb, Standby) gerichtet ist.


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