SOLAR Club
Tragbare Stromversorgung -mit Brennstoffzellen
Entwicklung eines 12V/25A-Moduls mit Polymer-Elektrolyt-Membrane

Das Paul-Scherrer-Institut und die Fachhochschule Solothurn haben gemeinsam ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen-Modul 300 W für Wasserstoff-Luft-Betrieb entwickelt.
Die Hauptmerkmale des neuen Moduls sind: Einsatz einer kommerziellen Membran-Elektroden-Einheit (MEA) und Verwendung von Luft als Oxidant anstelle von Sauerstoff
Adresse des Autors 
Ivan Popelis, Dipl.-El. Ing. STH Fachhochschule Solothurn Nordwestschweiz, Sportstrasse 2, 2540 Grenchen ivan.popelis@fhso.ch
Résumé en français:
Alimentation électrique portable à cellules à combustibles
Développement d'un module 12V / 25A à membrane électrolytique polymère
L̀Institut Paul Scherrer et la haute école spécialisée de Soleure ont développé ensemble un module de cellule électrochimique  à électrolyte polymère de 300W à hydrogène et à air. Les principales caractéristiques du nouveau module: utilisation d'une unité à membrane électrode du commerce et de l'air comme oxydant à la place d'oxygène. En service à l̀air, on peut se passer d̀une bouteille d'oxygène comprimé. Cela nécessite en revanche un petit compresseur dont la consommation d'énergie est couverte par la pile. Les résultats mesurés sur les cellules et sur la pile font apparaître des réserves considérables de puissance par rapport aux 300 W prévus. Pour une puissance plus élevée cependant, le refroidissement par air devrait être remplacé par un refroidissement à eau.

Eine Brennstoffzelle wandelt die chemische Energie eines Brennstoffs mit hohem Wirkungsgrad auf elektrochemischem Wege in elektrische Energie und Wärme um. Der elektrische Wirkungsgrad beträgt je nach Typ der Brennstoffzelle 40-60%. Der wichtigste Bestandteil der Brennstoffzelle ist der Elektrolyt (Membrane), der Anode und Kathode voneinander trennt, aber die positiv gela-denen H-Ionen durcglässt. In der Grenz-zone Anode/Membrane reagiert Wassserstoff, und mit Hilfe des Katalysators entstehen freie Elektronen, die über einen externen Stromkreis von der Anode zur Kathode fliesen. Bei der elektrochemi-schen Reaktion entsteht Wasser und zusätzlicht wird Reaktionswärme frei.

Die wichtigsten Vorzüge einer mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzelle sind:
- dirrekte Stromerzeugung aus Brennstoff
- keineschädliche Abgasemission
- Energiewandlung erfolgt ohne bewegte Teile, daher geräuschlos mit hoher spezifischer Energiedichte und mit hohem elektrischen Wirkungsgrad

Eine Brennstoffzellenanlage besteht aus mehreren in Serie geschalteten Zellen (Stapel), der Anlagenperipherie und der Anlagensteuerung.
Anfang 1997 startete die ehemalige Ingenieurschule Grenchen-Solothurn gemeinsam mit dem Paul-Scherrer-Institut das erste Projekt «PEFC-Demoanlagen für Lern- und Vorführungsanwendungen» (PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell). Das Ziel war die Entwieklung eines Funktionsmusters und die Herstellung von insgesamt zehn PEFC-Demoanlagen. Die Anlagen wurden Ende 1997 und Anfang 1998 an die interessierten Ingenieur-schulen verteilt. Auf der Basis der so gesammelten Erfahrungen wurde das Projekt «PFFC Modul 300 W» realisiert.

Membran-Elektroden-Einheit
Polymermembran-Brennstoffzellen wurden in der Regel mit separaten Membranen und Elektroden (z.B. Nafion-Membrane und E-Tek-Elektroden) gebaut. Die chemische Vorbehandlung der Membrane und Imprägnierung der Elektroden verursachen hier einen grossen Arbeitsaufwand. Beim Zellenzusammenbau müssen Dichtungen, Anode, Membrane, Kathode sehr genau übereinander gelegt und zusammengepresst werden. Dabei sind die Übergänge zwischen der Membrane und den Elektroden die kritischen Stellen. Um diesen heiklen Arbeitsvorgang zu automatisieren und den Arbeitsaufwand beim Zelleuzusammenbau zu senken, wurden von einigen Membranenherstellern die sogenannte Membrane-Elektrode-Einheit  (MEA) eingeführt.

Unsere Recherchen zeigten, dass die Beschaffung dieser Einheiten zurzeit noch sehr problematisch ist. Der Marktleader Ballard bietet die neuen Materialien gar nicht an und einige Firmen (Dais Corporation, Dow Chemical, Dupont Fluoroproducts. Electro-Chem, Energy Partners, Fuel Cell Technologies) können oder wollen die MEA noeh nicht liefern. Schliesslich hatten wir Erfolg bei der amerikanischen Firma W. L. Gore. Die Gore-MEA, Typ Primea 5xxx, basiert auf einer dünnen, porösen PTFF-Folie (Teflon), die mit perfluorierter Ionomer-Lösung (spezielles Polymer, das positiv geladene Ionen leitet) gefüllt ist. Die Elektroden werden direkt auf die Membrane aufgebracht und sind mit bedeutend weniger Katalysatormateriel (kleine Platin-Partikel) als die E-Tek-Elektroden beladen. Ausserdem sind die Elektroden syrnmetrisch, das heisst, Anode und Kathode können vertauscht werden.

Das erste Muster, das wir erhalten haben, war Primea 5000 (Membrandicke 40 micronm, MEA-Dicke rund 55 micronm). Die Gore-MEA kann leider nicht direkt zwischen die Bipolarplatten eingelegt werden, weil die Elektrodenschicht sehr dünn und empfindlich ist. Zum Schutz und zur Gasverteilung ist hier ein Makro-diffusor notwendig. Wir haben das Toray-Papier eingesetzt. Für die ersten Tests haben wir die Bipolarplatten von unserer 1997 entwickelten PEFC-Demoanlage verwendet. Um einen direkten Vergleich mit der Nafion-Membrane (Polymer-Elektrolyt-Membrane von Dupont, die bisher als Standard betrachtet wurde) zu ermöglichen, wurden auch die Betriebs-bedingungen dieser Demoanlage beibehalten. Bild 1 zeigt die Strom-Spannungs- und die Strom-Leistungs-Kenn linie der neuen Zelle.

Die Messungen ergaben bei einer Zellenspannung von 0,7 V eine rund 40% höhere Leistung sowie etwa 20% mehr Leistung unter Vollast, gegenüber Zellen mit Nafion-Membrane. Die Zelle mit Primea 5000 wurde auch im Luftbetrieb getestet. Ohne Befeuchtung der Membrane waren die gemessenen Werte zeitlich instabil. Nach einigen Minuten sank der Strom bei fix eingestellter Zeilenspannung wegen Austrocknens der Membrane. Nach Angaben des Herstellers soll dieses Problem beim neuen Typ Primea 5510 mit 25 micronm dicker Membrane weitgehend behoben worden sein. Das hat sich bei unserem zweiten Muster be-stätigt. Die Messungen (Bild 2) wurden bei unterschiedlichem Luftstrom (1 bzw. 2 l/min) durchgeführt.
Die Resultate bestätigten eine stabile Leistung der Zelle auch ohne Luftbefeuchtung. Mit einem Luftstrom von 1 l/min lieferte die Zelle Strom bis zu 40 A und mit 2 1/min über 50 A.

Bild 1  Kennimien emer Brennstoffzelle mit Primea 5000 im H2/02-Betrieb
(cliquez sur les images pour avoir la taille réelle)

Strom-Spannungs- und Strom-Leistungskurve der Zelle. Aktivfläche 100 cm2, Zellentemperatur 60 C, Brenngas H2 (Pabs = 1,2 bar, Stöchiometrie ca. 1,1), Oxidant 02 (Pabs = 1,2 bar, Stöchiometrie ca. 1,3)

Bild 2 Zelle mit Primea 5510, H2/Luft-Betrieb

Strom-Spannungs- und Strom.Leistungskurven der Zelle. Aktivfläche 100 cm2, Zellentemperatur 60 C, Brenngas H2 (Pabs 1,1 bar, Stöchiometrie ca. 1,1), Oxidant Luft Luftstrom: 2l l/min (Messung 1) bzw. 1 l/min (Messung 2)

Auslegung der Gaszuführung
Die Bipolarplatten der PEFC-Demoanlage von 1997 wurden für Sauerstoffbetrieb konzipiert. Die Abmessungen und das Material der Bipolarplatten haben sich bewährt und wurden übernommen, jedoch musste man das Flussfeld für den Luftbetrieb optimieren. Die Anforderungen für den Luftbetrieb unterscheiden sich hauptsächlich in zwei Punkten. Erstens muss die Durchflussmenge wegen des nur 20prozentigen Sauerstoffgehalts der Luft mehr als verfünffacht werden. Zweitens ist eine bessere Vermischung der Luft mit dem Wasserstoff notwendig, da sonst viel Sauerstoff ungenutzt verloren ginge und die Luftmenge noch erhöht werden müsste.

Wir haben Versuche mit drei verschiedenen Varianten des Multi-Meander-Flussfelds durchgeführt:
- sieben Kanäle mit rillenförmigem Kanalboden in fünf Sequenzen nacheinander im Mischkanal zusammengeführt
- fünf Kanäle mit glattem Kanalboden im sieben Sequenzen nacheinander im Mischkanal zusammengeführt
- sieben Kanäle mit glattem Kanalboden, gemeinsamer Mischkanal nur am Anfang und Ende des Flussfeldes.
Die besten Resultate erhielten wir mit der letzten Variante (Bild 3).

Bild 3 Flussfeld (Multi-Meander.Design). Sieben Kanile fl fùnf Sequenzen werden nacheinander in Mischkanilen zusammengefûhrt.

Druckluftbereitstellung mit Kleinkompressor
Die Berechnungen und Versuche mit der Gore-MEA beim Luftbetrieb zeigten, dass eine Zelle rund 1 l/min Luft braucht, um eine Leistung Von 15W (Zellenspannung ca. 0,6 V) zu erzeugen. Bei 20 Zellen, die für die geplante Leistung von 300 W benötigt werden, braucht man dann 20 l/min. Der Überdruck arn Zelleneingang muss nur den Durchflusswiderstand von den Zuleitungen und vom Flussfeld kompensieren, was bei unserem Flussfelddesign einem Überdruck von etwa 0,1 bar entspricht.

Kompressoren  mit Luftstrom Von 20 l/min sind auf dem Markt erhältlich, über die benötigte Leistungsaufnabme (ca. 50 W) ist für unsere Anwendung zu gross. Da die Speisung des Kompressors von der Stapelleistung (300 W) abgezweigt wird, würde der Kompressorantrieb über 16% der Gesamtleistung verbrauchen. Daher versuchten wir einen eigenen Kompressor zu bauen. Mit einem kombinierten und angepassten Aggregat, einer Mini-Membranpumpe von KNF Neuberger und einem Maxon-Motor, errechten wir akzeptable Werte: Luftstrom > 20 l/min bei 1,1 bar abs, Leistungsaufnahme < 20 W, Arbeitsspannung 24 V.

Bestimmung der Betriebs-parameter
Wasserstoff-Arbeitsdruck und Überschuss
Die Wasserstoffversorgung der PEFC-Demoanlagen von 1997 hat sich gut bewährt. Weil die Anforderungen an die Wasserstoffzufuhr sich bei Luftbetrieb nicht ändern, haben wir dieses Prinzip übernommen. Der Arbeitsdruck am Zelleneingan beträgt 1,1 bar abs und bleibt für jede Durchflussmenge konstant. Die Stöchiometrie bei Nominalleistung wird durch die Einstellung des Überschusses (Drosselventil am Stapelausgang) bestimmt und beträgt 1,1 bis 1,3.

Luft-Arbeitsdruck und Überschuss
Im Luftbetrieb muss man mit viel grösserem Überschuss arbeiten als beim Sauerstoffbetrieb, weil die Ausnützung der Sauerstoffes aus der Luft wegen der höheren Strömungsgeschwindigkeit unvollständig ist. Anderseits steigt bei grossem Luftdurchfluss ohne Befeuchtung die Gefahr der Membranenaustrocknung. Diese gut besonders bei kleinem Zellenstrom. wenn wenig Wasser in der elektrochemischen Reaktion entsteht. Die 25 micronm dünnen Membranen von W.L. Gore zeigten in dieser Hinsicht auch bei kleinerer Leistung (0,1 A/cm2) ein sehr gutes Verhalten. Der Arbeitsdruck wurde hauptsächlich durch die Parameter des Kompressors (Kompromiss zwischen Leistungsaufnahme, Luftstrom und Druck) bestimint. Es wurden die folgenden Parameter festgelegt: Der Arbeitsdruck am Zelleneingang beträgt auch hier rund 1,1 bar abs und wird durch den Durchflusswiderstand der Zuleitungen und des Flussfeldes bestimmt (Luftausgang aus dem Stapel ist frei). Die Stöchiometrie bei Nominalleistung beläuft sich auf 2,5. Die Luftmenge wird bei Nominallast durch die Kompressorleistung und bei Teillast durch die Einstellung der Speisespannung des Kompressormotors (14 bis 24 V) bestimmt.

Kühlung
Der Stapel soll nominal eine elektrische Leistung von 300 W (12V/25A) produzieren. Bei einer Zellenspannung von 0,6 V wird dann auch die thermische Leistung um 300 W liegen. Bei dieser Leistung ist eine Luftkühlung noch gut möglich. Ausserdem sind bei der Luftkühlung Gewicht und Kosten kleiner als bei einer Wasserkühlung. Die Bestandteile der Luftkühlung wurden anhand von Berechnungen und Versuchen entworfen. Sie besteht im einzelnen aus:
- Kühlrippen an den Bipolarplatten aus 1,5 mm  dicken  Aluminiumplatten, Kühlfläche total 4800 cm2
- Zwei Ventilatoren (12V/0,22A) mit 85 m3/h Luftstrom
- Luftschacht über dem ganzen Stapel

Wir haben mittlerweile drei PEFC-Module 300 W gebaut. Ein Gerät wurde der Einev Yverdon und ein  der SI Lausanne für Versucbe beim Einsatz in leichten Elektrobooten zur Verfügung gestellt (siebe Bulletin 25/1998, S.41). Bild 4 zeigt die Strom-Spannungs- und die Strom-Leistungs-Kennlinie eines Stapels mit 20 Zellen.

Bild 4  Stapel aus 20 Zellen mit Primea 5510

Strom-Spannungs- und Strom-Leistungskurve des Stapels. Brenngas H2 (Pabs =  1,1 bar, Stöchiometrie ca. 1,2), Oxidant Luft (P abs = 1,1 bar, Stöchiometrie ca. 2,5 bei 25 A), Stapeltemperatur 67 C

Schlussbemerkung
Die Projekte, «PEFC-Demoanlagen für Lern- und Vorführungsanwendungen» und «PEFC-Modul 300 W H2/Luft», die vom Paul-Scherrer-Institut zusammen mit der Fachhochschule Solothurn bearbeitet wurden, brachten der FHSO die benötigte Fachkompetenz in der Brennstoffzellen-Technologie. Die praktischen Erfahrungen, die bei dieser Zusammenarbeit gesammelt wurden, ermöglichen es jetzt der FHSO, eigenes Zellen- und Stapeldesign sowie kleine PEFC-Anlagen selbst zu bauen.
Die bisherigen Arbeiten und das vorbandene Interesse seitens der Schulen und der Industrie zeigen, dass auch PEFC mit kleinerer Leistung als Bleiakku-Ersatz in den mobilen und dezentralen Stromversorgungen in absehbarer Zukunft gute Chancen auf dem Markt erhalten werden.

*
Der Autor dankt herzlich für die finanzielle Unterstützung vom Bundesamt für Energie und Herrn Akinori Tsukada vom Paul-Scherrer-Institut (Allgemeine Energieforschung, Elektrochemie) für seinen grossen Einsatz bei Entwicklung und Zusammenbau des BZ-Stapels.
 
Kompakte Energiequelle
  • Zellenaufbau: Aktivfläche 100 cm2, Masse 128x128x5,4 mm3
- MEA: Gore Primea 5510. Membranendicke 25 micronm, MEA-Dieke ca. 40 micronm 
- Makrodiffusor: Carbon-Papier Toray imprägniert 
- Dichtung: Teflon-Folie, Dicke 150 micronm 
- Bipolarplatte/Unipolarplatte: Elektrographit gasdicht, Dicke = 5 mm, Gas-Flow-field mit Multi-Meander-Struktur. Kühlrippe Aluminiumblech 1,5 mm, aktive Kühlfläche rund 220 cm2 
  • Stapelaufbau: 20 Zellen Masse (mit Kühlrippen) 200x150x150 mm3, Gewicht ca. 7 kg
- Stromabnehmer: vergoldete Kupferplatten 1,5 mm dick 
- Endplatten; eloxierte Aluplatten 15 mm dick mit 4 Nippel für PE-Schläuche, diam. int.= 5 mm 
  • Kompressor: Mini-Membranpumpe von KNF mit Maxon-Motor
- Arbeitsdruck: 1,10 bis 1,15 bar abs 
- Luftstrom: 15 bis 20 l/min 
- Motorspannung: 14 bis 24 V 
- Leistungsaufnahme: 14 bis 19 W 
  • Kühlung; 2 Ventilatoren 12V/0,22A mit Thermostat
- Luftstrom: 2x85 m3/h 
- Leistungsaufnahme: 3 bis 5,5 W 
- Temperatur beim Ein-/Ausschalten: 55/50 C 
  • Elektronikeinheit: Stromversorgung für Kompressor und Ventilatoren: DC/DC-Wandler Melcher
- Messung von Spannung und Strom des Stapels: Digitalanzeigen Metronic 
- Startvorrichtung mit Hilfsenergiequelle: Steuerschaltung für den Startvorgang, Batterie 12 V/0,8 Ah 
  • Gehäuse: universelles Alu-Profil-Chassis Unibox von Jaeger, Masse 450x250x250 mm3, Modulgewicht total rund 12 kg
PEFC-Modui 300W für H2/Luft-Betrieb

La pile › combustibleBulletin des »lectriciens suisses