Von der Komponente zum Stack: Entwicklung und Auslegung von HT-PEFC-Stacks der 5 kW-Klassen

In zahlreichen Anwendungsbereichen wie der Luftfahrt oder dem Schwerlasttransport gibt es mittelfristig keine Alternative zu den derzeit genutzten Mitteldestillaten Diesel oder Kerosin. Sowohl aus ökonomischen wie auch aus umweltpolitischen Gründen wird daher die Optimierung der Effizienz der genutzten Systeme angestrebt. Dazu bietet sich der Einsatz von Brennstoffzellen an, die aufgrund der fehlenden Wasserstoffinfrastruktur mit einer On-Board-Versorgung ausgestattet sind. Für diese Anwendungen ist die HT-PEFC (High-Temperature- Polymer-Electrolyte Brennstoffzelle) aufgrund ihrer hohen CO-Toleranz, des einfachen Wasser- und Wärmemanagements sowie der moderaten Werkstoffbelastungen besonders gut geeignet. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Stackkonzeptes für ein 5 kW-HT-PEFC System. Dazu wird zunächst für jede Komponente der Stand der Technik möglicher Materialien und Prozesskonzepte diskutiert. Darauf aufbauend werden drei mögliche Stackkonzepte typischer Ausprägung entwickelt und mithilfe einer eigens dazu erarbeiteten Bewertungsmethodik auf praktische Eignung untersucht. Zwei als vielversprechend eingestufte Stackkonzepte werden weiter detailliert, ausgelegt und mittels Shortstackversuchen charakterisiert. Der Vergleich der Stackkonzepte zeigt eine prinzipielle Eignung beider Konzepte für den Einsatz in einem HT-PEFC-System mit On-Board-Versorgung. Allerdings weichen die Leistungsdaten der Stackkonzepte z. T. stark voneinander ab. Das für den Einsatz in einem HT-PEFC-System bevorzugte Stackkonzept zeichnet sich durch robustes Betriebsverhalten und reproduzierbare Leistungsdaten auf hohem Niveau aus. Darüber hinaus ermöglicht das Stackkonzept bei kompakter Bauweise (120W/l bei 60 W/kg) eine flexibel an die jeweilige Anwendung anpassbare Kühlung mit Wärmeträgeröl oder Luft. Des Weiteren kann im Betrieb ein definierter Temperaturgradient eingestellt werden, der die CO-Toleranz um bis zu 10 mV erhöht. Das im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelte Shortstackkonzept bietet somit eine geeignete Basis für die Entwicklung eines 5 kW-HT-PEFC-Systems. Themenfelder für weiteren Forschungsaktivitäten liegen dabei in der Leistungssteigerung durch Gewichts- bzw. Volumenreduktion sowie der Optimierung des Wärmemanagements.