Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) Ulm hat mit dem herstellerunabhängigen Brennstoffzellenstack einen bedeutenden Schritt in Richtung einer breiteren Anwendung der Brennstoffzellentechnik gemacht.
Erstmals ist am Markt ein generischer Brennstoffzellenstack verfügbar, der Unternehmen – auch mittelständischen – die Möglichkeit eröffnet, an dieser vielversprechenden Technologie teilzuhaben und die Energiewende aktiv mitzugestalten.
Die Entwicklung eines herstellerunabhängigen Brennstoffzellenstacks hat das Potenzial, die Branche nachhaltig zu verändern. Durch den fertigen Brennstoffzellenstack erhalten Unternehmen einfachen Zugang zur Brennstoffzellentechnologie - die Industrie kann ab sofort in Zusammenarbeit mit dem ZSW Ulm Innovationen in diesem Bereich entscheidend vorantreiben.
In Zusammenarbeit mit EKPO als Industriepartner hat das ZSW Ulm einen herstellerunabhängigen Brennstoffzellenstack als offene Entwicklungsplattform realisiert.
Größe, Design und Leistungsdichte entsprechen den heute im Automobilbereich eingesetzten Brennstoffzellensystemen. Die Spezifikationen sind in einem Vorprojekt mit der Automobil- und Zulieferindustrie erarbeitet worden.
Die Leistung des Stacks ist auf bis zu 150 kW ausgelegt.
Durch die Bereitstellung eines herstellerunabhängigen Brennstoffzellenstacks als offene Entwicklungsplattform wird der Zugang zur Technologie für die Zulieferindustrie erleichtert. Dies ermöglicht Unternehmen den Einstieg in den aufstrebenden Brennstoffzellenmarkt, ohne selbst umfangreiche Entwicklungsarbeit leisten zu müssen.
„Mit dem ‚generischen Brennstoffzellenstack‘ entsteht eine Art Universalwerkzeug für die technologische Weiterentwicklung der Brennstoffzelle. Zusätzlich können wir mittelständischen Unternehmen dann auch Komponenten oder ganze Brennstoffzellen für ihre eigene Produktentwicklung in die Hand geben“, sagt Prof. Dr. Markus Hölzle, ZSW-Vorstand und Leiter des Geschäftsbereichs Elektrochemische Energietechnologien in Ulm.
Das Funktionsmuster wird Mitte 2023 für Forschungsprojekte verfügbar sein und Unternehmen Zugang in die Branche ermöglichen.
Haben wir Ihr Interesse geweckt, dann sprechen Sie uns gerne an:
Brennstoffzellenstacks sind ein zentraler Bestandteil der Brennstoffzellentechnik und gelten als Schlüsseltechnologie für die Energiewende. Sie bestehen aus mehreren Brennstoffzellen, die in Reihe geschaltet sind und so die benötigte Leistung erbringen. Durch die Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie und Wärme. Dabei entstehen keine schädlichen Emissionen wie z.B. Kohlendioxid (CO2).
Die Bedeutung von Brennstoffzellen-Stacks für die Energiewende zeigt sich in ihren vielfältigen Einsatzmöglichkeiten. Sie können in verschiedenen Sektoren wie Verkehr, Industrie und Gebäudetechnik eingesetzt werden, um den Energiebedarf umweltschonend zu decken. Im Verkehrssektor bieten sie beispielsweise in Form von Brennstoffzellenfahrzeugen eine vielversprechende Lösung für emissionsfreie Mobilität. In der Industrie können sie zur dezentralen Energieerzeugung und Notstromversorgung eingesetzt werden, in der Gebäudetechnik zur Wärme- und Stromversorgung.
Die Förderung und Weiterentwicklung von Brennstoffzellen Stacks ist daher von großer Bedeutung für das Gelingen der Energiewende. Mit dem herstellerunabhängigen Brennstoffzellenstack des ZSW wird die Technologie für Unternehmen leichter zugänglich, was Innovationen beschleunigen und die Verbreitung von Brennstoffzellenlösungen fördern kann.
Ein Brennstoffzellenstack ist das Herzstück eines Brennstoffzellensystems und besteht aus mehreren einzelnen Brennstoffzellen, die übereinander gestapelt und elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Brennstoffzellen Stack Funktion: Die Aufgabe eines Brennstoffzellenstacks besteht darin, chemische Energie direkt in elektrische Energie umzuwandeln, indem Wasserstoff und Sauerstoff in einer elektrochemischen Reaktion zu Wasser reagieren. Dabei entstehen keine schädlichen Emissionen, sondern lediglich Wärme und Wasserdampf als Nebenprodukte.
Brennstoffzellen Stack Verwendung: Die Einsatzmöglichkeiten von Brennstoffzellenstacks sind vielfältig und erstrecken sich über verschiedene Anwendungsbereiche. Sie können in verschiedenen Sektoren wie Verkehr, Industrie oder Gebäude eingesetzt werden.
In Fahrzeugen, insbesondere in Pkw und Bussen, werden Brennstoffzellenstacks als umweltfreundliche Antriebslösung eingesetzt, die eine emissionsfreie Mobilität ermöglicht. In der Industrie werden Brennstoffzellenstacks in stationären Energiesystemen zur dezentralen Energieerzeugung und als Notstromversorgung eingesetzt. Im Gebäudebereich werden sie zur effizienten Wärme- und Stromversorgung eingesetzt, beispielsweise in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen oder als Teil von Mikro-Kraftwerken.
Die Entwicklung und der Bau von Brennstoffzellen-Stacks ist ein komplexer Prozess, bei dem verschiedene Materialien, Technologien und Fertigungstechniken zum Einsatz kommen.
Das ZSW beschäftigt sich seit über 30 Jahren mit der Entwicklung und dem Bau innovativer Brennstoffzellenstacks, darunter Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) und Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) im Leistungsbereich von wenigen Watt bis 100 kW für alle Anwendungen.
Der Fokus des ZSW liegt auf dem Transfer wissenschaftlich-technischer Erkenntnisse in die praktische Anwendung.
Ziele sind die Optimierung von Leistung, Lebensdauer, Wirkungsgrad und Kompaktheit der Brennstoffzellen entsprechend den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung und des Einsatzgebiets.
Dabei spielen die Qualitätssicherung und die stückzahlangepasste Automatisierung der Stackmontage eine wichtige Rolle.
Das ZSW hat die Themen Qualitätssicherung und stückzahlangepasste Automatisierung der Stackmontage frühzeitig aufgegriffen und an eigenen Stackdesigns erfolgreich erprobt. Im Zuge dieser Arbeiten wurde umfangreiches Know-how zur automatisierten Handhabung von Komponenten, zum Aufbringen von Dichtungen sowie zum Fügen und Stapeln von Zellen aufgebaut.
Weiterführende Arbeiten beschäftigen sich mit Fragen der Fertigungstechnik und Charakterisierung von PEM-Brennstoffzellen, Komponenten und Stacks. Dazu gehören beispielsweise die Optimierung von Materialien und Membranen, die Verbesserung der Elektrodenstruktur und die Entwicklung effizienterer Katalysatoren. Durch diese kontinuierliche Forschung und Entwicklung trägt das ZSW dazu bei, die Brennstoffzellentechnologie voranzutreiben und für eine breitere Anwendung in Industrie und Alltag zugänglich zu machen.
Der Aufbau eines Brennstoffzellenstacks ist komplex und besteht aus verschiedenen Hauptkomponenten, die jeweils spezifische Funktionen erfüllen.
Am ZSW werden zahlreiche anwendungsspezifische Designs entwickelt, die sich hinsichtlich der aktiven Fläche pro Zelle, des Bipolarplattenkonzepts, des Druckabfalls sowie des Betriebstemperaturbereichs unterscheiden.
Die Stacks zeichnen sich durch eine hohe spezifische Leistung und einen sicheren und zuverlässigen Betrieb in den vorgesehenen weiten Betriebsbereichen aus. Es stehen Ausführungen mit einer aktiven Fläche von 50 bis 560 cm² zur Verfügung, die bei Bedarf auch an spezielle Kundenanforderungen angepasst werden können.
Zum Beispiel ist das generische Stackkonzept für eine maximale Leistung von 150 Kilowatt ausgelegt, wofür 500 Einzelzellen mit jeweils zwei metallischen Bipolarplatten benötigt werden. Der Vorteil metallischer Bipolarplatten liegt in der Möglichkeit, sie mit umformenden Fertigungsverfahren herzustellen, was hohe Stückzahlen bei kurzen Taktzeiten ermöglicht. Die Herausforderung liegt in den dünnen Wandstärken von nur einem Zehntel Millimeter bei einer Länge von über 40 Zentimetern pro Platte.
Die Bipolarplatten sind entscheidende Komponenten einer Brennstoffzelle. Sie sorgen auf den beiden Außenseiten (Kathode und Anode) für die gleichmäßige Verteilung von Wasserstoff und Luftsauerstoff, während über die Innenseite der Platten das Kühlwasser geleitet wird. Dies wird durch äußerst filigrane Kanal- und Steggeometrien sowie ein Verteiler- und Dichtungskonzept erreicht. Diese Strukturen werden mit Hilfe der numerischen Strömungsmechanik (CFD) simuliert und optimiert.
Im Projekt für die Entwicklung des generischen Brennstoffzellenstacks wurden alle relevanten Teile des Zelldesigns wie Portkanalgeometrie, Aktivbereich und Verteilerbereich mittels geeigneter CFD-Simulationen unter Verwendung von ANSYS Fluent® untersucht.
Die Simulationen wurden gleichermaßen für die Luft-, Wasserstoff- und Kühlseite durchgeführt. Die Basis bilden die Betriebsrandbedingungen aus dem EU-finanzierten AutoStackCore- Projekt. Zu den Bipolarplatten wurde ein darauf abgestimmtes Balance-of-Stack-Konzept entworfen. Dieses beinhaltet die Stromabnehmer, Verpressplatten, eine über metallische Bänder und Tellerfedern als Längenausgleichseinheiten realisierte Verspanneinheit sowie die Endplatten inklusive Medienzuführungen. Für die Anbindung an den Teststand wurde zudem eine Anschlussvorrichtung entwickelt, um Stacks (eng. Stapel) schnell und einfach anzuschließen und zu entkoppeln.
Sowohl für bestehende als auch für am ZSW entwickelte Designs können auf Kundenwunsch Prototypen gefertigt und getestet werden.
Eine Übersicht der am ZSW verfügbaren Prototypen ist als PDF-Datei verfügbar: Download: Brennstoffzellen Stacks Prototypen
Der vom ZSW in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner entwickelte generische Brennstoffzellenstack bietet eine Vielzahl von Vorteilen und Chancen für die Industrie in Deutschland und weltweit. Ein solcher herstellerunabhängiger Brennstoffzellenstack dient als universelles Werkzeug für die technologische Weiterentwicklung der Brennstoffzelle und ermöglicht interessierten Unternehmen den Zugang zu Komponenten oder kompletten Brennstoffzellen für die eigene Produktentwicklung.
Durch die Nutzung des generischen Brennstoffzellenstacks können Unternehmen erhebliche Entwicklungskosten einsparen und benötigen weniger Ressourcen, da sie keinen eigenen Stack entwickeln müssen. Die Markteinführung von neuen Brennstoffzellensystemen kann durch diese Entwicklung maßgeblich beschleunigt werden. Dies minimiert auch das Risiko für Unternehmen, die in einen neuen Markt eintreten wollen, da der Zugang zur Technologie bereits durch den vom ZSW und EKPO entwickelten Brennstoffzellenstack gewährleistet ist.
Die Industrialisierung der Brennstoffzelle ist entscheidend, um sie in großen Stückzahlen zu niedrigen Kosten auf den Markt zu bringen. Um die Industrialisierung von Brennstoffzellenstacks voranzutreiben arbeitet das ZSW in Ulm mit weiteren Partnern an der HyFaB. Die Modelfabrik HyFaB soll der Großserienproduktion von Brennstoffzellen den Weg ebnen.
Insgesamt bieten wir mit dem herstellerunabhängigen Brennstoffzellenstack am ZSW Ulm erhebliche Vorteile für die Industrie:
Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Ulm verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung im Testen von Brennstoffzellen und setzt dabei auf umfassende Qualitätssicherungs- und Prüfverfahren. Diese Verfahren sind entscheidend, um die für die Industrie wichtige hohe Leistungsfähigkeit, Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Brennstoffzellen-Stacks zu gewährleisten.
Zur Qualitätssicherung und Prüftechnik am ZSW gehören vollautomatische Prüfstände für Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstacks. Diese Prüfstände ermöglichen es den Forschern, Leistung, Lebensdauer und Wirkungsgrad der entwickelten Stacks genau zu analysieren und Optimierungspotenziale zu identifizieren. Durch diese Tests und die kontinuierliche Verbesserung der Stack-Designs können die spezifischen Anforderungen der verschiedenen Anwendungsbereiche erfüllt werden.
Die Lebensdauer eines Brennstoffzellenstacks ist für die Industrie ein entscheidender Faktor, da sie die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit der eingesetzten Systeme beeinflusst. Die am ZSW angewandten Qualitätssicherungs- und Prüfverfahren tragen dazu bei, die Lebensdauer der Brennstoffzellenstacks zu maximieren und damit die Wirtschaftlichkeit und Attraktivität der Technologie für industrielle Anwendungen zu erhöhen.
Brennstoffzellensysteme sind komplexe Einheiten, die aus verschiedenen Komponenten bestehen und in einer Vielzahl von Anwendungen und Leistungsklassen eingesetzt werden können. Das ZSW hat seit 20 Jahren Erfahrung in der Entwicklung und im Bau von Brennstoffzellensystemen für unterschiedliche Anwendungen.
Ein Brennstoffzellensystem besteht aus mehreren Hauptkomponenten: dem Brennstoffzellenstack, der als Herzstück des Systems dient und den chemischen Prozess zur Stromerzeugung ermöglicht, sowie zusätzlichen Komponenten wie Regelung, Überwachung, Hybridisierung mit Batterien und DC/AC-Wandlern. Diese zusätzlichen Komponenten sind notwendig, um das System effizient, sicher und zuverlässig zu betreiben.
Das ZSW bietet Systeme im Leistungsbereich von wenigen Watt bis 50 kW an und unterstützt Kunden bei der Planung, dem simulationsunterstützten Design, dem Aufbau von Systemprototypen sowie der Charakterisierung und Qualifizierung von Systemen. Darüber hinaus beschäftigt sich das ZSW mit der Erprobung und Qualifizierung von Systemkomponenten wie Luftversorgung, katalytische Brenner, Wärmetauscher und Sensoren.
Die Integration von Brennstoffzellenstacks in Brennstoffzellensysteme ist ein entscheidender Schritt, um eine optimale Leistung und Effizienz zu gewährleisten. Dabei ist es wichtig, dass der Brennstoffzellenstack optimal auf die Systemkomponenten abgestimmt ist, um die bestmögliche Leistung, Lebensdauer und Effizienz zu erreichen.
Für die Entwicklung und Bau von Brennstoffzellensysteme bietet das ZSW Ulm:
Wir stellen sicher, dass die entwickelten Brennstoffzellensysteme den Anforderungen der Industrie und den geltenden Normen entsprechen. Mehr Infos finden Sie hier: Brennstoffzellensysteme: Entwicklung und Bau
Im Unterschied zum Batteriesystem erfordert die Medienbereitstellung für den Stack im Brennstoffzellsystem eine eigene Peripherie. Für den Fahrzeugeinsatz wird ein System aus Komponenten wie Verdichtern, Wärmetauschern und Druckregelventilen benötigt, um die dem jeweiligen Betriebspunkt entsprechenden Betriebsbedingungen einzustellen. Einige Entwicklungen aus dem Bereich der Verbrennungsmotoren können dabei auf Brennstoffzellsysteme übertragen werden. In den Anforderungen an die Komponenten unterscheiden sich die Antriebstechnologien jedoch teilweise stark. Die Leistungscharakteristik der Peripherie wirkt sich wesentlich auf die Effizienz und Lebensdauer des Gesamtsystems aus.
Aufgabe des ZSW ist es, die Industrie im disruptiven Kontext der Brennstoffzelltechnologie bei der Definition, Verifikation und Validierung der Anforderungen an neue Komponenten zu unterstützen. Am eigens entwickelten Systemteststand können Komponenten verschiedener Leistungsklassen flexibel eingebunden und getestet werden. Das agile Testumfeld ermöglicht eine schnelle und individuelle Anpassung der Software- und Hardware-konfiguration an vielfältige Schnittstellen und Betriebsparameter. Die gesammelten Testdaten fließen zudem anonymisiert in die Entwicklung eigener, fortschrittlicher Systemmodelle ein. Im Rahmen einer wissenschaftlichen Arbeit werden bestehende Implementierungen von Open-Source-Modellen weiterentwickelt, um künftig die Auslegungs- und Betriebsstrategien von Brennstoffzellsystemen für unterschiedlichste Anwendungsbereiche zu optimieren.
Das Projekt HyFaB soll die industrielle Fertigung von Brennstoffzellenstacks für Fahrzeuge vorantreiben. Ziel ist die Entwicklung von automatisierten Fertigungs- und Qualitätssicherungsprozessen, Fabrikabnahmetests und Inbetriebnahmen von Brennstoffzellenstacks.
HyFaB ist als offene Industrieplattform konzipiert, an der sich Partner aus der Automobil- und Brennstoffzellen-Zulieferindustrie sowie dem Maschinen- und Anlagenbau, insbesondere kleine und mittlere Unternehmen (KMU), beteiligen können.
Neben dem ZSW sind das Fraunhofer ISE in Freiburg und der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) am HyFaB-Projekt beteiligt.
Herstellerunabhängige Brennstoffzellenstacks, wie sie vom ZSW Ulm und EKPO entwickelt und im Projekt HyFaB vorangetrieben werden, bieten enorme Chancen für die Industrie und die Energiewende. Diese Entwicklungsplattform ermöglicht es Unternehmen, insbesondere KMU, Ressourcen und Kosten zu sparen.
Die Modelfabrik HyFaB trägt maßgeblich dazu bei, die Massenfertigung von Brennstoffzellenstacks zu beschleunigen und die Markteinführung von Brennstoffzellensystemen für die Automobilindustrie zu fördern. Durch die Zusammenarbeit von Wissenschaft und Industrie können innovative Technologien entwickelt und in der Praxis erprobt werden, was für die Zukunft der nachhaltigen Mobilität von entscheidender Bedeutung ist.