Die Vision
Zu Beginn des Projektes entstand die Idee, eine mobile Ladebox für Laptops und Notebooks zu entwickeln. Die Box soll an jedem beliebigen Ort, ob draußen an der frischen Luft oder drinnen im Sitzsack genutzt werden können, ohne sich von eine Steckdose in der Nähe abhängig zu machen. Der sogenannte “Power Cube” soll Strom für eine kleine Lerngruppe liefern und nicht größer als ein Sitzwürfel sein. Er soll mit einer Brennstoffzelle betrieben werden, welche Wasserstoff aus einem Speichertank und Sauerstoff aus der Umgebungsluft direkt in elektrische Energie umwandelt. Damit der Wasserstoffspeicher nicht extern nachgefüllt werden muss, wird die Brennstoffzelle den Wasserstoff im Elektrolysebetrieb, unter Zufuhr von Wasser und Strom, selbst produzieren. Der Power Cube stellt somit ein off-grid Energiespeichersystem dar.
Projektziel
Im Rahmen des Energieprojekts im Studiengang “Energietechnik und Energiewirtschaft” soll die Vision zur Realität werden. Dies ist allerdings nur die halbe Wahrheit. Ein solch komplexes System muss in mehrere Teilschritte unterteilt werden. So haben wir uns das Ziel gesetzt, innerhalb von zwei Semestern eine Einzelzelle selbst herzustellen und diese auf ihr Betriebsverhalten sowohl im Brennstoffzellenbetrieb, als auch im Elektrolysebetrieb zu untersuchen und deren Wirkungsgrade zu optimieren. Für den Versuchsaufbau werden im Wesentlichen alle Komponenten benötigt, welche auch in Power Cube System erforderlich sind. Die Erkenntnisse aus den Versuchen bilden die Grundlage, für nachfolgende Studenten, ein Steuerungskonzept für den Power Cube zu entwerfen und die Vision in die Realität umzusetzen.
Grundlagen der Brennstoffzellentechnik
Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle. Der von uns verwendete PEM-Brennstoffzellentyp (Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle) wandelt Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser um und erzeugt damit elektrische Strom. Das gelingt dadurch, dass die chemische Reaktion in mehrere einzelne Schritte unterteilt wird.
| Anode | 2 H2 → 4 H+ + 4 e– |
| Kathode | O2 + 4 H+ + 4 e– → 2 H2O |
| Gesamtreaktion | 2 H2 + O2 → 2 H2O |
Die Elektronen der Anodenseite wandern über einen verbraucher und erzeugen den Strom. Die Wasserstoffionen diffundieren durch eine Membran zur Kathodenseite. Dort wird unter zufuhr von Sauerstoff Wasser erzeugt.
Aufbau unserer Brennstoffzelle
Grundsätzlich besteht eine PEM Brennstoffzelle aus Bipolarplatte (BP), Gasdiffussionselektrode (GDL), Katalysatorschicht (CL) und Membran.
Bipolarplatte
Die Bipolarplatte hat zur Aufgabe die Gase mittels Strömungskanäle auf der Gasdiffusionselektrode zu verteilen. Bei einem Brennstoffzellenstack dient sie zudem zur Durchkontaktierung zweier Zellen. Sie ist dann der physikalische Minuspol auf der Anodenseite und der physikalische Pluspol auf der Kathodenseite. Daher rührt auch ihr Name. Bei unserer Einzelzelle sind die Strömungskanäle allerdings nur einseitig angebracht. Die Bipolarplatte sollte Strom und Wärme gut leiten und korrosionsbeständig sein. Hier ist unsere fertigen Bipolarplatten gezeigt.
Gasdiffussionselektrode
Wie im Namen bereits zu erkennen, diffundiert das Gas durch die GDL (Gas-Diffusions-Layer). Sie hat neben der Gasdurchlässigkeit die Aufgabe Strom und Wärme gut abzuleiten, gleichzeitig soll sie das Reaktionswasser auf der Kathodenseite gut abtransportieren. Wir haben uns bei unserer Brennstoffzelle für eine GDL mit eine mikroporösen Schicht (MPL) von der Firma Freudenberg entschieden. Diese sorgt aufgrund von Kapilakräften, dass das Reaktionswasser noch besser von der Membran zur Bipolaplatte abgeleitet wird. Die feinen Ruß- und Graphitpartikel sind auf einem makroporösen Kohlepapier als Trägermaterial aufgetragen.
Katalysatorschicht
Der Katalysator beschleunigt die Oxidation der Brennstoffzelle. Er wird selbst nicht verbraucht. Entscheiden ist eine große spezifische Oberfläche des Katalysatoranteils. Für unsere Anwendung verwenden wir Platin mit Kohlenstoff als Trägermaterial. Es sind prinzipiell auch andere Katalysatoren wie Palladium oder Ruthenium möglich.
Bei der Reaktion können nur die Platinpartikel mitwirken, welche sowohl zur Gasdiffussionselektrode als auch zur Membran gleichzeitig Kontakt habe. Dies wird als Dreiphasengrenze bezeichnet (GDL, Katalysatro, Memebran). Alle anderen Platinpartikel sind nutzlos. Um den Anteil aktiver Platinpartikel zu erhöhen werden die Zellen zusammengebresst.
Membran
Durch die Membran sollen lediglich die positiv geladenen Wasserstoffionen diffundieren. Eintscheidend für die Protonenleitfähigkeit ist eine ausreichende Feuchtigkeit der Membran. Dies wird durch die Befeuchtng der Gase realisiert. Wir haben uns bei unseren Prototy für eine Nafion Membran entschieden.
Unser Versuchstand
Realisiert wurde ein Versuchstand bestehend aus einer Einzelzelle einem Gasspeicher, Gasbefeuchter, und einem Netzteil zu Spannungsversorgung. Die Konzepte für die Messtechnik, sowie für die Elektrotechnik liegen vor. Mit dem Versuchsstand konnten wir erfolgreich eine PEM Elektrolyse durchführen. Siehe dazu den Beitrag “Die ersten erfolgreichen Versuche”. Der Aufbau des Versuchstandes ist hier gezeigt.
Für mehr Einblicke in unser Projekt besucht gerne unsere Fotogalerie. Wir würden uns freuen, wenn nachfolgende Studentengeneration das Projekt neu zum Leben erwecken. Die vollständige Projektdokumentation stellen wir hierfür bereit.
