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Voller Energie: Brennstoffzellen

Am Forschungszentrum Jülich werden drei Arten von Brennstoffzellen entwickelt: die Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), die Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (HT-PEFC) sowie die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC). Ihre unterschiedlichen Eigenschaften und Betriebsbedingungen machen sie für verschiedene Anwendungen interessant, etwa für den Einsatz in Lastkraftwagen, Flugzeugen oder in Blockheizkraftwerken. Wissenschaftler mit unterschiedlichen Forschungsschwerpunkten aus dem Institut für Energie- und Klimaforschung und Experten aus dem Institut für Engineering, Elektronik und Analytik arbeiten hier interdisziplinär zusammen, um elektrochemische Verfahren noch weiter zu verbessern, Materialien zu optimieren und komplette Systeme prototypisch zu bauen und zu testen. Das Ziel: Brennstoffzellen, die bei hohen Wirkungsgraden möglichst lange Laufzeiten haben.

Hitzebeständige Materialien gefordert

Festoxidbrennstoffzellen (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) haben gegenüber den meisten Niedertemperatur-Brennstoffzellen, die nur reinen Wasserstoff in elektrischen Strom wandeln, den Vorteil, dass sie zusätzlich Methan und Kohlenmonoxid als Kraftstoff verwenden können.

SOFCs mit einer Betriebstemperatur von mehr als 700 Grad Celsius sollen in weniger als vier Jahren marktreif sein, zum Beispiel als Energiehilfseinheit in LKW. Schwierigkeiten bereitet noch die Temperaturänderung beim Ein- oder Ausschalten: Besonders stark beansprucht wird dadurch das Dichtungsmaterial.

Jülicher Wissenschaftlern gelang es, Glasdichtungen zu entwickeln, die zumindest das Herunterfahren der SOFC auf eine Stand-by-Temperatur von etwa 350 Grad Celsius gut verkraften. Sie fanden auch ein Verfahren, die Dichtungen zu reparieren: Die Wissenschaftler fokussieren einen Laserstrahl auf die defekte Stelle, dadurch wird das gebrochene Glasdichtungsmaterial aufgeschmolzen. Beim Abkühlen erstarrt es und dichtet die geschädigte Stelle wieder vollständig ab.

Jülicher Forscher können seit Kurzem Zellen mit niedriger Betriebstemperatur bauen. Bei etwa 550 Grad Celsius haben sie die gleiche Leistungsfähigkeit, für die vor 15 Jahren noch eine Temperatur von 950 Grad Celsius benötigt wurde. Diesen enormen Fortschritt erreichten sie durch eine Verdünnung der Elektrolytschicht auf ein bis zwei tausendstel Millimeter.

mehr zur Jülicher SOFC-Brennstoffzellenentwicklung

Nach drei Minuten aufgewärmt: die HT-PEFC-Brennstoffzelle

Die Wissenschaftler arbeiten auch an einer Alternative zur SOFC, der sogenannten Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, kurz HT-PEFC. Ihr Vorteil: Sie muss nur drei Minuten lang aufgewärmt werden. Die SOFC benötigt dagegen 20 bis 30 Minuten, bis sie betriebsbereit ist. Mit Bezug auf die Anforderungen einer "klassischen PEFC" braucht bei der HT-PEFC der Wasserstoff, den sie schluckt, nicht so hochrein zu sein. Das ermöglicht es, ihn in einem vorgeschalteten Reformer aus Diesel herzustellen.

Entscheidend für die Effizienz eines solchen Reformers ist es, dass der Diesel gut mit Luft und Wasser durchmischt wird. Um das zu erreichen, haben Forscher unter anderem die Ströme der Gase und Flüssigkeiten in der Mischkammer eines Reformers mit dem Jülicher Supercomputer JUGENE berechnet und simuliert. Auf diese Weise konnten sie die Form der Mischkammer so optimieren, dass anfänglich 99,9999 Prozent des Diesels genutzt werden – und selbst nach 1000 Betriebsstunden sind es noch 99,7 Prozent.

mehr zur Jülicher HT-PEFC-Entwicklung:
"Fernlaster: Motor aus - Brennstoffzelle an", Beitrag aus Forschen in Jülich 3/2013

Langlebig und schnell aufgetankt: die Direktmethanol-Brennstoffzelle (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 über flüssiges Methanol. Neben der sehr hohen Energiedichte des Methanols besticht die DMFC durch die einfache Handhabung und das problemlose Nachfüllen des Brennstoffs: Methanol kann innerhalb weniger Minuten einfach "aufgetankt" oder kanisterweise ausgetauscht werden und ermöglicht größere Reichweiten als Batterie-versorgte Systeme.

Aus diesem Grund eignen sich DMFC-Systeme ideal als Batterieersatz für Kleinfahrzeuge und Roboter, die rund um die Uhr im Einsatz sind und deshalb häufig nachgeladen werden müssen. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind Hilfsstromaggregate für die unterbrechungsfreie Stromversorgung, wie sie in Mobilfunkstationen und Rechenzentren benötigt werden.

mehr zur Jülicher DMFC-Entwicklung


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