ZSW entwickelt Hochleistungs-Stack für Schiffe

Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) hat einen neuen PEM-Brennstoffzellen-Stack für maritime Anwendungen entwickelt. Laut dem Institut erreicht der Demonstrator eine Leistung von bis zu 500 kW pro Stack und soll damit die Integration von Brennstoffzellen in Schiffsantriebe erleichtern.

Das ZSW stellte erste Ergebnisse aus Leistungs- und Sensitivitätstests vor, die im eigenen Testzentrum in Ulm durchgeführt wurden. Die Messungen bestätigten nach Angaben des Instituts die zuvor simulierten Leistungsdaten und belegten einen stabilen Betrieb ohne lokale Überhitzung. 

Höhere Leistungen geliefert

Für den Einsatz in der Schifffahrt sind laut ZSW deutlich höhere Leistungen erforderlich als bei Anwendungen im Straßenverkehr. Während gängige Brennstoffzellen-Stacks für Pkw und Lkw meist unter 200 kW leisten, benötigen Schiffsantriebe mehrere MW. Bisher müssen dafür zahlreiche kleinere Stacks kombiniert werden. Das neue Design zielt darauf ab, diese Komplexität zu reduzieren, indem es höhere Leistungen pro Einheit ermöglicht.

„Mit diesem großen Stack-Design zeigen wir, dass emissionsfreie Schifffahrt – künftig mit grünem Wasserstoff – technisch machbar und wirtschaftlich attraktiv ist“, sagt Markus Hölzle, Vorstandsmitglied des ZSW. Die Tests hätten die Leistungsfähigkeit bestätigt.

Ein zentrales Element der Entwicklung ist die Bipolarplatte. Sie sorgt für die elektrische Leitfähigkeit, verteilt die Reaktionsgase und übernimmt die Kühlung. Laut ZSW stellt insbesondere die Wärmeabfuhr bei großen Zellflächen eine Herausforderung dar. Die Forschenden optimierten die Strukturen der Graphitplatten mithilfe numerischer Simulationen, um eine gleichmäßige Verteilung und Kühlung sicherzustellen.

Am Computer geplant

Die entwickelten Bipolarplatten erreichen eine aktive Fläche von mehr als 1.300 Quadratzentimetern. Um Dichtigkeit und Kontaktierung zu gewährleisten, wird der Stack mit einer Kraft von rund 150 kN verspannt. Das entsprechende System wurde laut ZSW rechnerisch ausgelegt und anschließend von Industriepartnern gefertigt.

Für die Validierung baute das ZSW einen Kurz-Stack mit 15 Zellen auf. Dieser erreichte eine Leistung von etwa 25 kW bei einem Strom von über 3.000 Ampere. Hochgerechnet ergibt sich für einen vollständigen Stack mit 300 Zellen die angestrebte Leistung von 500 kW. Die Tests bestätigten nach Angaben des Instituts einen stabilen Betrieb unter diesen Bedingungen.

Das Stackdesign basiert auf der Kombination von großer Zellfläche und einer hohen Anzahl gestapelter Einheiten. Während eine größere Fläche den Stromfluss erhöht, steigert die Stapelhöhe die Spannung. Die Leistung ergibt sich aus dem Produkt beider Größen. Für großformatige Anwendungen setzt das ZSW auf graphitische Bipolarplatten, da diese laut Institut auch bei größeren Abmessungen formstabil bleiben.

Auch für stationären Einsatz geeignet

Die neue Entwicklung soll nicht nur in der Schifffahrt eingesetzt werden. Laut ZSW eignet sich das Konzept auch für stationäre Anwendungen, etwa zur Rückverstromung von Wasserstoff. PEM-Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff direkt in elektrische Energie um, wobei im Betrieb Wasser entsteht. Aufgrund ihrer Dynamik und Leistungsdichte gelten sie als geeignet für mobile und stationäre Anwendungen.

Das ZSW arbeitet bei der Weiterentwicklung der Technologie mit Partnern aus Industrie und Forschung zusammen, darunter das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) und der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA). Ziel ist es laut Institut, die Überführung der Technologie in industrielle Anwendungen zu beschleunigen.