Laser engraving of embossing plates

Lasergravieren von Prägeplatten

Wir sind führender Spezialist auf dem Gebiet der Prägeplatten-Herstellung für Bipolarplatten der Brennstoffzelle sowie der Bearbeitung von Stützstrukturen für den Einsatz in PEM-Elektrolyseuren. Unsere hochpräzisen Lasermikrobearbeitungstechnologien ermöglichen es uns, maßgeschneiderte Lösungen für die anspruchsvollen Anforderungen der Brennstoffzellentechnologie und der Wasserstofferzeugung zu liefern. Mit unserer Verwendung von Wasserstoff als sauberen Energieträger leisten wir einen wichtigen Beitrag in Richtung erneuerbarer Energie.

Proton-Exchange-Membran (PEM) Brennstoffzelle: Was ist das und wie funktioniert sie?

Die Proton-Exchange-Membran (PEM) Brennstoffzelle ist eine fortschrittliche Technologie, die durch die Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie sauberen Strom erzeugt. Die PEM-Brennstoffzelle besteht aus mehreren Zellen, die durch eine leitfähige Membran voneinander getrennt sind. Wasserstoff wird auf der Anodenseite zugeführt, während auf der Kathodenseite Sauerstoff oder Luft zugeführt wird. Die chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff in Gegenwart der Membran bewirkt die Produktion von elektrischer Energie und Wasser als einziges Nebenprodukt.

Warum wird die PEM-Brennstoffzelle und Wasserstoff aktuell so dringend benötigt?

Die PEM-Brennstoffzelle und Wasserstoff spielen eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung einer nachhaltigen und umweltfreundlichen Energiezukunft. Sie werden dringend als Alternative zu batteriebetriebenen KfZs gesucht, da sie längere Reichweiten bieten und eine schnellere Betankung ermöglichen. Zudem dienen sie als dezentrale Stromversorgung im Haus, insbesondere in Kombination mit Solarzellen, um grüne Energie zu speichern und bei Bedarf zu nutzen. Die breite Anwendung von Wasserstoff als sauberer Energieträger kann dazu beitragen, den CO2-Ausstoß zu reduzieren und den Klimawandel zu bekämpfen.

Proton-Exchange-Membran (PEM) Elektrolyseur: Einsatz und Nutzung

Der Proton-Exchange-Membran (PEM) Elektrolyseur ist ein entscheidendes Element in der Wasserstoffproduktion und spielt eine wesentliche Rolle bei der Nutzung von erneuerbaren Energien. Der Elektrolyseur nutzt die PEM-Brennstoffzellen-Technologie in umgekehrter Weise, um aus Wasser mithilfe elektrischer Energie Wasserstoff und Sauerstoff zu gewinnen. Durch die Anwendung elektrischer Spannung an der PEM-Membran wird Wasser in seine Bestandteile, also Wasserstoff und Sauerstoff, aufgespalten. Der gewonnene Wasserstoff kann als grüner Energieträger gespeichert und bei Bedarf genutzt werden, um Fahrzeuge anzutreiben, Gebäude zu beheizen oder Industrieprozesse zu versorgen. PEM-Elektrolyseure sind effiziente und umweltfreundliche Instrumente zur Produktion von grünem Wasserstoff und spielen eine Schlüsselrolle bei der Gestaltung einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft.

Neue nationale Wasserstoffstrategie der Bundesregierung vom 27.07.2023

Die Bundesregierung hat erkannt, welches enorme Potenzial Wasserstoff für die Energiewende birgt und verfolgt eine ehrgeizige Wasserstoffstrategie. Bis 2023 sollen die Erzeugungsmöglichkeiten auf 10 Gigawatt verdoppelt werden, was 20-30 Prozent des deutschen Wasserstoffbedarfs decken könnte. Dies erfordert den deutlichen Ausbau von Anlagen, Speichern und Leistungen. Ein besonderer Fokus liegt darauf, Wasserstoff verstärkt aus erneuerbaren Energien herzustellen, um die Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. Die Vision ist es, Deutschland bis 2045 klimaneutral zu machen.

Bestandteile der PEM-Brennstoffzelle (PEMFC-Stack)

Beim bipolaren Stackaufbau werden die Einzelzellen über eine gemeinsame Bipolarplatte elektrisch kontaktiert. Durch die Bipolarplatte wird auf der einen Seite das Brenngas und auf der anderen Seite Luft oder Sauerstoff zu den jeweiligen Elektroden geführt. Der Name Bipolarplatte leitet sich von der auf beiden Seiten anliegenden Spannung mit unterschiedlichem Vorzeichen ab: Minus auf der Anodenseite (Wasserstoff), Plus auf der Kathodenseite (Sauerstoff). Die Summe der Einzelzellspannungen wird als Stackspannung bezeichnet. Diese wird über Stromabnehmer oder Stromsammler am Anfang und am Ende des Zellstapels abgeführt. Der Stackstrom ist abhängig von der Größe der aktiven Fläche. Verdoppelung der Fläche bedeutet Verdoppelung des Stroms.

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Embossing plate – design by Fraunhofer IWU

Die PEM-Brennstoffzelle besteht aus verschiedenen Schichten und Komponenten, die in einem Stapel angeordnet sind und zusammenarbeiten, um die Energieumwandlung zu ermöglichen. Hier sind die wichtigsten Bestandteile:

Anodenseite Kathodenseite Gasverteilerlage Diffusionsschicht Reaktionsschicht Proton-Exchange-Membran

Auf der Anodenseite der Brennstoffzelle wird Wasserstoff als Brenngas zugeführt. Die Protonen wandern durch die Proton-Exchange-Membran, während die Elektronen einen äußeren Stromkreislauf durchlaufen, um elektrische Energie zu erzeugen.

Auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle wird Sauerstoff (aus der Luft) zugeführt. Die Sauerstoffmoleküle reagieren mit den durch die Membran transportierten Protonen und den Elektronen aus der Anodenseite, um Wasser zu bilden.

Direkt neben der Anode und Kathode befindet sich die Gasverteilerlage. Diese Schicht sorgt für eine gleichmäßige Verteilung des Brenngases (Wasserstoff) auf der Anodenseite und des Sauerstoffs auf der Kathodenseite über die gesamte Oberfläche der Elektroden. Eine effiziente Gasverteilung ist entscheidend, um eine gleichmäßige Reaktion zu gewährleisten und Hotspots zu vermeiden.

Die Diffusionsschicht liegt zwischen der Gasverteilerlage und der Elektrode. Ihre Aufgabe ist es, den Gasaustausch zu optimieren, indem sie das Brenngas und den Sauerstoff gleichmäßig zu den Reaktionsschichten transportiert. Zudem fördert sie den Wasserabtransport aus der Brennstoffzelle, der bei der Reaktion entsteht.

Direkt neben der Diffusionsschicht befindet sich die Reaktionsschicht. Hier treffen das Brenngas (Wasserstoff) und der Sauerstoff aus der Luft auf die Protonen, die durch die Membran diffundieren. An dieser Stelle finden die elektrochemischen Reaktionen statt, die zur Freisetzung von Elektronen und Protonen führen.

In der Mitte der Brennstoffzelle befindet sich die Proton-Exchange-Membran (PEM). Diese Membran ist ein zentraler Bestandteil der PEM-Brennstoffzelle, da sie die Protonen leitet, aber elektrisch isolierend ist, sodass keine Elektronen durch sie hindurchtreten können. Die PEM ermöglicht die Trennung von Brenngas (Wasserstoff) und Sauerstoff und ermöglicht den Protonentransport zwischen den Elektroden.

Das Zusammenspiel dieser Komponenten – Anode, Kathode, Gasverteilerlage, Diffusionsschicht, Reaktionsschicht und Membran – ermöglicht es der PEM-Brennstoffzelle, umweltfreundliche Elektrizität zu erzeugen, ohne schädliche Emissionen zu produzieren.