Die Idee entstand vor rund 11 Jahren an der Berner Fachhochschule auf der Basis vorgängiger Arbeiten am PSI und an der ETH Zürich. Ziel war es, ein möglichst kompaktes, einfaches und kostengünstiges Brennstoffzellen-System für portable Anwendungen zu realisieren. Es galt deshalb in erster Linie, die voluminösen sowie regelungstechnisch komplexen Teilsysteme für die Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran sowie zur Kühlung des Zellstapels zu vereinfachen und zu verkleinern.

Zwei vom PSI inzwischen patentierte Lösungen sind aus diesen Forschungsarbeiten hervorgegangen und nun auch im Brennstoffzellen-System eingebaut. Das sind zum Einen die innovative innere Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran und zum Anderen die Dichtung für das an der Berner Fachhochschule entwickelte Kühlungskonzept.

Interne Befeuchtung reduziert Volumen und Komplexität

Wasserstoff-Brennstoffzellen produzieren Strom, indem Wasserstoff an der negativen Elektrode der Zelle aufgespalten wird. Dabei entstehen Elektronen, die als Strom in einen Schaltkreis fliessen, und Protonen (Wasserstoffkerne), die dann mit Sauerstoff an der positiven Elektrode der Zelle zu Wasser reagieren.

Voraussetzung für diese Reaktionen ist aber, dass die Protonen durch die Kunststoffmembran hindurch diffundieren, um an die Kathode zu gelangen. Das heisst, die Membran muss, wie dies die Experten in der Fachsprache zum Ausdruck bringen, eine gute Leitfähigkeit für Protonen aufweisen. Diese Leitfähigkeit steigt mit dem Feuchtegrad der Membran. Zuviel flüssiges Wasser kann aber wiederum auch die Poren verstopfen, durch die das Gas zur Membran fliesst. Es kommt also darauf an, den optimalen Feuchtegrad sicherzustellen.

Den nötigen Feuchtegrad stellen in grösseren Brennstoffzellen-Systemen externe Befeuchter bereit. Deren Volumen und Komplexität kann man sich in einem portablen System mit strengen Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit aber nicht leisten. Einen Ausweg fanden die PSI-Forscher, indem sie auf interne Befeuchtung der Membran setzten. Die Idee war, die überschüssige Feuchte aus der Abluft, die beim Betrieb der Zellen anfällt, direkt der frisch eingespeisten Luft zurückzuführen.

Ausgeklügeltes Befeuchtungskonzept spart Energie

Für die Rückgewinnung der Feuchte wird die verbrauchte Luft durch eigens eingebaute Kanäle auf den sogenannten Befeuchtungsbereich der Membran geleitet. Im Befeuchtungsbereich fliesst auf der einen Seite also feuchte Abluft und auf der Rückseite trockene, frisch eingespeiste Luft. Dieser Feuchteunterschied führt dazu, dass Wasser durch die Membran hindurch von der feuchten auf die trockene Seite diffundiert und so die trockene Frischluft befeuchtet. Das Ganze geschieht weitgehend passiv, also ohne jedwede Regelung und mit minimalem Energieaufwand. Lediglich die Energie für einen Kompressor wird benötigt, um die Frischluft zuvor auf ein kleineres Volumen zusammenzupressen, sodass sie mit weniger Wasser die gewünschte relative Feuchtigkeit erreicht.

Die interne Befeuchtung vereinfacht das System, weil es den externen Befeuchter überflüssig macht. Sie hat zudem einen entscheidenden Vorteil: Da die Befeuchtung nun unabhängig auf jeder Zelle geschieht, kann das System im Prinzip beliebig vergrössert werden, ohne dass dafür ein immer grösser werdender externer Befeuchter benötigt wird. Die Kunst besteht darin, den Befeuchtungsbereich optimal zu dimensionieren, sodass er nicht zu gross, aber gross genug für den adäquaten Feuchtetransport ist, vor allem dann, wenn der Zellstapel unter Volllast läuft.

Kühlung mit Luft statt mit Wasser

Ein weiterer Beitrag aus dem PSI betrifft die Kühlung des Zellenstapels. Hierzu wird normalerweise Wasser als Kühlmittel eingesetzt. Die Forscher der Berner Fachhochschule entwickelten ein spezielles Konzept, das auf die Kühlung mit Luft setzt. Statt wie in anderen Konzepten die Kühlluft durch die Zellen zu führen, entschieden sie sich für eine sogenannte Randluftkühlung. Die Wärme aus dem aktiven Teil der Zellen wird dabei effizient in den Randbereich übertragen und erst dort vom kühlenden Luftstrom abgeführt. Möglich ist die effiziente Wärmeübertragung vom Zentrum auf den Rand der Zellen, durch ein graphitähnliches Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Die Dimensionierung der Kühlung basierte auf Berechnungen mit einem Modell, das PSI-Forscher entwickelten.

Das graphitähnliche Material wird im Zellenstapel ausserdem als Gasdichtung verwendet und verhindert, dass Wasserstoff und Luft sich mischen können. Diese Verwendung als Dichtung ist eine inzwischen patentierte PSI-Erfindung.

Die Markteinführung der neuen SBB-Minibar mit dem eingebauten Brennstoffzellen-System ist ein Beleg dafür, dass mit Beharrlichkeit im Technologietransfer aus der Grundlagenforschung Beiträge zu kommerziellen Produkten werden können. Die Anstrengungen des PSI auf allen Stufen der Forschung und Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen zeitigt wieder einmal sichtbare Früchte. Der Erfolg wäre aber ohne das jahrelange Engagement der Berner Fachhochschule und der Firma CEKAtek, die an diese Technologie glaubten und sie weiterentwickelten, nicht möglich gewesen.

Text: Paul Scherrer Institut/Leonid Leiva

Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Lernende, Doktorierende oder Postdoktorierende. Insgesamt beschäftigt das PSI 1900 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 350 Mio.

Brennstoffzellen-Knowhow aus dem Paul Scherrer Institut im Herz der neuen SBB-Minibars