Brennstoffzelle



Eine Brennstoffzelle ist Eine galvanische Zelle , jenes chemische Reaktionsenergie Eines kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Ein Oxidationsmittel in elektrische Energie zu Fuß. Im Sprachgebrauch steht Brennstoffzelle für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle.

Eine Brennstoffzelle ist kein Energiespeicher , sondern ein Wandler. Diese Energie wurde in chemischen Böttcherform mit den Brennstoffen zugeführt.

Brennstoffzellentypen

Verschiedene Arten des spröden Kerns [3]
Bezeichnung Elektrolyt Mobiles
Ion
Brennstoff (Anode) Gas der Kathode Leistung ( kW ) Temperatur ( ° C ) el. Wirkungs
grad (%)
Alkalische Brennstoffzelle (AFC) KOH OH  2 2 ( CO 2 -frei) 10-100 150-220 [4] 40 [4] -60
Polymerelektrolyt
-Brennstoffzelle (PEMFC)
Polymer –
Membran
3 O + 2 2 0.1-500 10-100 35 [5] -60 [6]
Direktmethanol-
Brennstoffzelle (DMFC)
Polymer-
Membran
+ CH 3 OH 2 <0,001-100 60-130 [7] 40 [7]
Ameisensäure-Brennstoffzelle ,
div. Katalysatoren
(Platin, Palladium, Ruthenium)
Polymer-
Membran
+ HCOOH 2 <0,001-100 30, 40 (RuCl 2 (PPh 3 ) 2 ) [8] [9]
Phosphorsäure-
Brennstoffzelle (PAFC)
3 PO 4 3 O + 2 2 <10.000 110-220 [4] 38 [5] -40 [4]
Schmelzkarbonat-
Brennstoffzelle (MCFC)
Alkali – Kohlensäure –
Schmelzen
CO 2- 2 , CH 4 , Kohlengas 2 100.000 550-700 [4] 48 [5] -70 [4]
Festoxid-
Brennstoffzelle (SOFC)
oxidischer keramischer
Elektrolyt
2- 2 , CH 4 , Kohlengas 2 (Luft) <100.000 450-1000 [4] 47 [5] -70 [4]
Direktkohlenstoff-Brennstoffzelle (SOFC, MCFC) 2- C 2 (Luft) 650 <60 [10]
Magnesium-Luft-Brennstoffzelle (MAFC) 2- Mg 2 (Luft) 55 <90 [11]

Gewin nung

Die Gewinnung von elektrischer Energie aus Chemischen Energieträgern zumeist erfolgt Durch Verbrennung und NUTZUNG Heissen Gase in Einer die entstehende Wärmekraftmaschine mit nachgeschaltetem Generator . So war die chemische Energie in Verbindung mit thermischer Energie und dann in mechanischer Arbeit. Erst wird dieser Generator erzeugt. Eine Brennstoffzelle ist unabhängig davon, dass Umformung in Wärme und Kraft zu erreichen und zu erreichen ist. Im Unterschied zu einer Verbrennungskraftmaschine(VKM) wandert chemische Energie direkt in elektrische Energie und unsymmetrische Knotengeflechte Wirkungsgrad von VKM. Theoretisch erreichbare Nutzarbeit ist allein Durch Die freie Enthalpie der Chemischen Reaktion beschränkt und sein Können DAMIT Höher als bei Einer der Koppelung Wärmekraftmaschine ( Carnot mit Wirkungsgrad ) mit Einem Generator zur Stromerzeugung. Praktisches ist also das mit der Kombination von und Brennstoffzelle Elektrische erzielte mit Wirkungsgrad Höher als von dem Otto-Diesel oder . Allerdings sollte in der gesamten Wirkungskette auch der Umfang der Produktion und die Speicherung der Energie mit angegeben werden. Gut erforscht ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle.

Geschichte

→ Hauptartikel : Geschichte der Brennstoffzellen

Eine Einfache fuel cell Wurde 1838 von Christian Friedrich Schönbein Erstellt, INDEM dort Zwei Platindrähte in Salzsäure mit Wasserstoff BZW. Sauerstoff umspült und zwischen den Drähten eine elektrische Spannung bemerkt. Ein Jahr später veröffentlichte Schönbein diese Ergebnisse. Sir William Grove hat keine Angst noch im selben Jahr eine Nachricht über das sogenannte „batterisierte Knallgas“. Zusammen mit Schönbein erkennt es die Umkehrung der Elektrolyse und die von Strom erzeugt in diesem Phänomen wandte und this mehr Erkenntnisse zu Ehren versuchen ein.

Kahlköpfiger Kriegsmann von den Brennstoffzellen hat Recht. Ehemann hieß Kohl und Dampfmaschinen herzlich willkommen. 1875 Schrieb Jules Verne in Seinem Buch „Die geheimnisvolle Insel“ über der Brennstoffzelle:

„Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. An diesem Morgen von Energie Wasser ist, das Durch Strom elektrische zerlegt sind ist. Dass so zerlegten Elemente Wäscher, hydrogen und Sauerstoff, auf Zeit unabsehbare Hinaus, die Energieversorgung der Erde sichern waren. „

Wege der erfindung von elektrischen Generatoren , DAMALS Dynamomaschine genannt, Durch Werner von Siemens gerät als „galvanische Gasbatterie“ bezeichnet erfindung zunächst in Vergessenheit. Das Dynamomaschine Krieg in verbindung Mit der Dampfmaschine bezüglich Brennstoff und Materialien Relativ einfach und unkompliziert und zu DAHER Wurde of this Zeit der Komplexe fuel cell fect gesaugt. Wilhelm Ostwald autorisiert die theoretische Durchdringung der Brennstoffzelle. In 1894, Ihr hohes Potenzial gegenüber den Wärmekraftmaschinen .

In den 1950er Jahren wurde diese Idee aufgegriffen, die in der Raumfahrt und im militärischen Bereich genutzt wurde. Die Brennstoffzelle wurde 1963 gebaut und die Borders Satellites und für die Gemini – und Apollo – Raumkapseln eingesetzt.

In den 1990er Jahren führte die kalifornische Gesetzgebung zu neuen Impulsen. Nun Wurden Fahrzeuge mit niedrigen Emissionen von jedem Hersteller vorangetrieben. Seither, dass Brennstoffzellenentwicklung internationale große Fortschritte, auch in der Forschung. [1]

Besondere Ereignisse

Der erste Prototyp Eines größeren brennstoffzellenbetriebenen von 1959 Fahrzeuges Könnte Allis-Chalmers mit Einem brennstoffzellenbetriebenen Traktor Vorgestellt wurden. [2] Die Ersten produktiven Einsätze had welche fuel cell in der US-Amerikanischen Raumfahrttechnik der 1960er Jahre. In den Apollo- Missionen dienen sie als zuverlässiger Energiespender. Wie Bernstein 11. April 1970, dass Rakete der Apollo-13-Mission Mann mit drei Besatzung nach problemlos dem Starten Alle erreichen, explodiert Einer des Beiden Sauerstofftanks im Servicemodul von „Odyssey“ und beschädigten dabei die Sauerstoffleitung Sauerstofftanks anderen, so that drei alle Brennstoffzellen abgeschaltet wurden müssen.

Aufbau

Eine Brennstoffzelle enthält Elektroden , die eine semipermeable Membran oder Elektrolyt (Ioneiter) sind voneinander getrennt sind.

Das Elektrodenplatten / Bipolarplatten Bestehen meist aus Metall oder Kohlenstoffnanoröhren . Sie sind mit einem Katalysator , zum Beispiel mit Platin oder Palladium . Als Elektrolyten können zB gelartige Laugen oder Säuren , Alkalicarbonatschmelzen , Keramik oder Membranen dienen.

Diese Energie liefert Eine Reaktion von Sauerstoff MIT – DM Brennstoff, der Wasserstoff sein Kann, jedoch aus ebenso organisiert chen Organische Verbindungen , die beispielsweise Methan oder Methanol Bestehen Kann. Beide Reaktionspartner wurden kontinuierlich zu diesen Elektroden .

Diese geliebte Spannung liegt theoretisch 1,23  V für die Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle bei einer Temperatur von 25 ° C. In der Praxis wurden nur Spannungen von 0,5-1 V (experimentell auch darüber) untersucht. Die Spannung ist vom Brennstoff, von der Qualität der Zelle und von der Temperatur abhängig. Um eine höhere Spannung zu erhalten, wurden mehrere Zellen zu einem Stapel (engl. Für, Stapel ‚) in Reihe geholt. Unter Last diskutiert die chemische und elektrische Prozesse ein Absinken der Spannung (nicht bei der Hochtemperatur- Schmelzkarbonatbrüsselsoffzelle , MCFC).

Bei der Niedertemperatur-Protonaustauschmembran-Brennstoffzelle ( Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC oder Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC) ist der Aufbau der folgt:

  1. Bipolarplatte als Elektrode mit eingeführter Gaskanalstruktur, vorzugsweise aus elektrisch leitfähiger Kohlenstoff-Nanoröhrchen;
  2. poröse Kohlenstoff-Papier;
  3. Reaktivschicht, meist auf der Iomerermembran auf. Hier sind die vier Phasenkatalysatoren (Pt), Elektronenleiter (Ruß oder Carbon-Nanomaterialien), Protonenleiter (Ionomer) und Porosität miteinander in Kontakt;
  4. Protonenleckende Ionomermembran: Gasdichte und nicht-emittierende Elektronenemission.

Reversible Brennstoffzelle

Eine der Weiterentwicklung herkömmliche Brennstoffzelle ist sterben Reversible Brennstoffzelle (s. Reversible Brennstoffzelle RFC ) waren in der Stromerzeugung und -speicherung Kombiniert. Sie arbeitet im einfachen Fall einer Wasserstoff-Brennstoffzelle mit einem Elektrolyseur . Neuere Modelle kombinieren die Nieren Verbrennungs- Elektrolyse und Prozess um zu Gewichtseinsparungen , die Komplexität und zu vermindern. Eigene reversible Brennstoffzellen für Energiespeicher und als Ersatz von Akkumulator- Systemen. [12]

Chemische Reaktion

Das Prinzip der Brennstoffzelle war 1838 von Christian Friedrich Schönbein anhand der Reaktion

{\ displaystyle \ mathrm {2 \ H_ {2} + O_ {2} \ bis 2 \ H_ {2} O}}

gefunden. Viele Brennstoffzellentypen sind als Energiequelle zur elektrischen Energiegewinnung bekannt.

Ein wichtiges Beispiel ist die Protonenaustauschmember-Brennstoffzelle ( PEMFC ). Eine solche Brennstoffzelle used in der Regel Wasserstoff als Energieträger erreicht and a mit Wirkungsgrad von ETWA 60%. Andere Konstruktionen arbeiten mit Methanol oder Methan und erzeugt daraus die hydrogen Profilierung mittels Dampfreformierung . Das Herzstück der PEMFC Das ist eine Polymermembran , die durchlässig ist für Ausschließlich Protons (auch für H – Nur + -Ionen), die so Genannte ist Protonenaustauschmembran (PEM). Das Oxidationsmittel , für Gewöhnlich Luftsauerstoff, ist vom Characterized räumlich Reduktionsmittel Getrennt.

Der Brennstoff, hier Wasserstoff , Wird an der Anode katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Dies war bei der Ionen-Austausch-Membran in der Kammer mit dem Oxidationsmittel der Fall. Elektronen , die aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließt über EINE waren elektrische Verbraucher, zum beispiel Einer Glühlampe, zur Kathode . An der Kathode Wird das Oxidationsmittel , hier Sauerstoff , Durch Aufnahme des zu Electron AnionenREDUZIERT, die Wasserstoffionen unmittelbar mit dem zu Wasser reagieren.

Brennstoffzellen mit Einem solchen Aufbau Heissen Polyelektrolyt Brennstoffzellen, PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell für) oder Auch Protonenaustauschmembran-fuel cell, PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell für). Die verwöhnten Membranen sind saure Elektrolyte.

Saurer Elektrolyt Gleichung
Anode {\ displaystyle \ mathrm {2 \ H_ {2} +4 \ H_ {2} O \ bis 4 \ H_ {3} O ^ {+} + 4 \ e ^ {-}}}
Oxidations / Elektronenabgabe
Kathode {\ displaystyle \ mathrm {O_ {2} +4 \ H_ {3} O ^ {+} + 4 \ e ^ {-} \ bis 6 \ H_ {2} O}}
Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion {\ displaystyle \ mathrm {2 \ H_ {2} + O_ {2} \ bis 2 \ H_ {2} O}}
Redoxreaktion / Zell-Reaktion

Es gibt auch alkalische Wasserstoff-Brennstoffzellen. Sie arbeiten nur für den Fall. In der Vergangenheit wurden diese Gase durch poröse, katalytisch wirksame Elektroden in eine Grundlösung eingeleitet.

Wer tupfte ablaufende Redox-Reaktionen laut:

Grundelektrolyt Gleichung
Anode (Minus-Pol) {\ displaystyle \ mathrm {2 \ H_ {2} +4 \ OH ^ {-} \ bis 4 \ H_ {2} O + 4 \ e ^ {-}}}
Oxidations / Elektronenabgabe
Kathode (Plus-Pol) {\ displaystyle \ mathrm {O_ {2} +2 \ H_ {2} O + 4 \ e ^ {-} \ bis 4 \ OH ^ {-}}}
Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion {\ displaystyle \ mathrm {2 \ H_ {2} + O_ {2} \ bis 2 \ H_ {2} O}}
Redoxreaktion / Zell-Reaktion

Elektrischer Wirkungsgrad, Kosten, Lebensdauer

Am Institut für Energie Forschung am Forschungszentrum Jülich gerechnet werden im Jahr 2003 für folgende Brennstoffzellensysteme Testergebnisse erzielt: [5]

Geben Sie ein Betriebsparameter Leistung Elektrischer Wirkungsgrad Einsatzbereitschaft für KWK Kosten € / kW
PEFC [13] 70 ° C, Fester Elektrolyt 250 kW 35% Feldtest <10.000
PAFC 250 ° C 200 kW 38% Serie > 5.000
MCFC 650 ° C, für stationäre Anwendung 280 kW 48% Feldtest <8.000
SOFC [14] 900 ° C, für stationäre Anwendung 100 kW 47% Feldtest 20.000

Stand 2012 erreichen Brennstoffzellen im praktischen Betrieb einen Wirkungsgrad bis zu 60%. [6]

Kosten und mit Wirkungsgrad des Gesamtsystemes Ist auch von NEBEN den Einheiten, bei Einer Fahrzeug Brennstoffzellen-z. B. von der Traktionsbatterie , dm Elektroantrieb und DER Aufwand zur bereitstellung der Brennstoffzelle-Brennstoff, abhängig. Wenn Vergleichsbasis waren DAHER Umfassenden Betrachtungen von Wirkketten, bei Kraftfahrzeugen auf der Basis Well-to-Wheel , fect Zahlungen.

Die Folklore Tafelle sendet Leistungs-, Wirkungs- und Kostenüberblick für verschiedene Konventionelle Energienutzungen:

Geben Sie ein Leistung Wirkungs grad Kosten € / kW
konventionelle Kraft-Wärme-Kopplung eine 100 kW 34% (el.) 1000
konventionelle Kraft-Wärme-Kopplung ab 1000 kW 41% (el.) <500
Stadtbus ( Dieselmotor ) 300 kW 45-50% [15] <275
LKW , Reisebus 500 kW 45-50% [15] <100
PKW ( Ottomotor ) 100 kW 35-38% [15] 50
Gasturbins 1 kW-300 MW 25-46% [16] [17] 2200

Das lebensdauer Einer PAFC-Brennstoffzelle Liegt between 40.000 Betriebsstunden für stationäre 5000 Betriebsstunden und Systeme für Mobile [18] (40.000 Betriebsstunden entsprechen Erstelle 1666 Dauerbetriebstag oder 4.6 Dauerbetriebsjahre). Das lebensdauer Einer Festoxid-SOFC Brennstoffzelle ist derzeit auf einigen Monate noch beschränkt bei den Herstellungskosten in Größenordnung von rund 100.000 Franken (62.000 Euro) (Stand: 13. März 2006). [19]

Hochtemperaturbrennstoffzellen Konnen zur erhöhung des mit Einer Wirkungsgrad Mikro Gasturbinen gekoppelt waren, sodass sie von über Kombiniert Wirkungsgrad von 60% Motivation und anderen Mentalität. [20]

Anwendungen

Die Ersten Anwendungen von Brennstoffzellen ergeben sie in bereichen , die Militär und Raumfahrt , in Gründen , die untergeordneten Eine Rolle spielt und sterben Vorteile , die spezifischen Kostenvorteile von Diesel – Generatoren über gewogen Kosten. Brennstoffzellen Sind leicht als Akkumulatoren Eulen Zuverlässiger und leiser als Generatoren . Die Niedrigen Geräuschemission und stirbt möglichkeit, nach Brennstoffzellen zu sehr zuverlässig längere Inaktivität betreiben, trüge zu Einer Anfang oft Militärische NUTZUNG Sowie Ein Einsatz in Notstromversorgungen bei. Zudem can Brennstoffzellen in Kombination Mit Einer Elektro Bewegungsenergie in Verschiedenen Einsatzbereichen Effizienter als erzeugenVerbrennungsmotoren , etc. Straßen von Konstanten Drehmomentverlauf oder der besseren Regelbarkeit Ersterer.

Eine von Brennstoffzellen in der Stärke Liegt im Vergleich mit anderen Hohen Stromspeichern Energie Dense, Wodurch sich das frühzeitige Interesse des militars und Raumfahrt ein of this der Technik Erklärt.

Stationärer Einsatz

Die stationäre Einsatzbereich Ein Brennstoffzellensystem erstreckt sie über EIN weiten Leistungsbereich , angefangen bei kleinen Systemen mit Einer Leistung von Zwei bis Fünf Kilowatt elektrische Leistung – beispielsweise als Hausenergieversorgung – bis hin zu Systemen im niedrigen Megawattbereich. Größere Systeme waren Krankenhäuser, Schwimmbäder oder für Versorgung von kleinen Kommunen eingesetzt sterben. AMERICAS Größte Brennstoffzellenkraftwerk had Mit Leistung von Einer Position September 2016 1,4 MW. [21]

Eine stromerzeugende brennstoffzellenbasierte Hyo-Heizanlage ( „Hy“ = Hydrogenium und Wasserstoff = „O“ = = Oxygenium Sauerstoff; Mini- Blockheizkraftwerk = Mini-KWK) Besteht aus mehr Ehre Komponenten. Ideal im Fall von der Bezug – Möglichst klimaneutral erzeugtem – hydrogen Wird Eine mit geringen Aufwand herstellbare BZ PEM (Polymer – Elektrolyt – Membran-Brennstoffzelle) eingesetzt. Solange noch kein (Bio) hydrogen als Brennstoff zur verfügung STAND, Sondern stattdessen fossile oder Biogene Methan (Erdgas oder gar „Bioerdgas“) ist a und aufwändige störungsanfällige Reformer Einheit erforderlich Sie . This verwandelt das Methan in Wasserstoff zum Betrieb der direkte brennstoffzellenbasierten hyo-Anlage und in CO 2als Abgas. Die Zweite komponente ist Brennstoffzelle (BZ) sterben, die für die Prozess (Oxidation von zugeführten Wasserstoffs) mit der Folge der Erzeugung einge von Strom Chemischen und Wärme aus dem Sauerstoff Umgebungsluft used. [22] hinzu Schalen noch elektrische Leistungselektronik und sterben dazugehörige Regelung der Betriebsführung. Deckung von zur thermischen Last Spitzen Sind meist additional herkömmliche erdgasbetriebene Wärmeerzeuger Installiert.

Für den stationären Einsatzbereich aller Typen von Brennstoffzellen in Betracht. Aktuelle Entwicklungen beschreibt die SOFC , die MCFC und die PEMFC . Die SOFC und die MCFC haben den Vorteil, dass – das Tempers – Erdgas direkt als Brenngas eingesetzt werden konnte. Der Entzug von Wasserstoff (H 2 ) aus dem Methan (CH 4) Das Gasleitungsnetz ( „Reformierungsprozess“) verlauft Schiffe dabei die Hochtemperaturbrennstoffzelle (HT-BZ), war beim Einsatz von Methan EIN separaten Reformator überflüssig Macht. Die im Niedertemperaturbereich Arbeit Einkommen PEM-Brennstoffzelle hing gene-Methan benötigt bei Einsatz für Erzeugung einge von hydrogen Einer Einheit mit Einer separaten Reformern aufwändige Gasreinigungsstufe, Weil das Reformat weitgehend von sterben Kohlenstoffmonoxid (CO) befreit Muss war. CO entsteht bei Jeder Reformierung von Wasser Kohl Stoffe. CO ist bei diesem BZ-Katalysator Gift und Würde eines Sowohl die Leistung als Auch der die lebensdauer fuel cell Deutlich verringern.

Beim Betrieb der Hochtemperaturzellen SOFC und MCFC kann festgestellt werden, welche mit Abluft zur Sterilisation von Gegenständen behandelt wurden. Als Notstromerzeuger sind sie der längeren Anfahrphase ungeeignet. Ein Niedertemperatur-PEMFC-System kann in einem Betriebssatz installiert werden.

Betriebsweise

In der Station BZ-Anwendung steht diese Wärmeproduktion gegenüber der Stromerzeugung im Vordergrund. Diese Systeme waren deshalb wartungsbedürftig. Der Service, bei dem die Systemleistung durch die benötigte Wärmemenge geregelt wurde, wobeidie erzeugte elektrische Stromstärke wird in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Stationäre BZ-Systeme waren am besten mit einer effizienten Leistungsmodulation betrieben. Idealerweise wird der Wärmegrundlastbedarf komplett über das BZ-BHKW geprüft. (Wärme-) Lastspitzen wurden abgekürzt über konventionelle Heizgeräte. Auf diese Weise funktioniert das stationäre BZ-System bei einem bestimmten konstanten Lastpunkt. Können Sie das System auf den maximalen Wirkungs grad hinlegen?

Für eine PEM-Brennstoffzelle mit geschlosener Kathode schreit, dass sie im ausgeschalteten Zustand sowohl – als auch auch sauerstoffseitig – abwertete sollte. Das Problem ist, dass der Startvorgang für den Betrieb nicht abgeschlossen ist, und dass die Ursache für den Fehler nicht behoben werden kann. So muss die Lagerung bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt erfolgen, was die Brennstoffzelle komplett austrocknet, um Schäden durch Eisbildung zu verhindern.

Mobiler Einsatz

Straßenverkehr

Mehrere Automobilfirmen (u. A. Volkswagen , Toyota , Daimler , Ford , Honda , General Motors / Opel ) scharf chen Teilweise BEREITS seit 20 jahren mit staatlicher Förderung [23] ein Automobilen , nähern Treibstoff Wasserstoff ist, und sterben zur Energieumwandlung Brennstoffzellen Eulen EINEN Elektro zum Antrieb Nutzen . Ein beispiel Sind Fahrzeuge sterben NECAR 1a NECAR 5 Eulen Mercedes-Benz F-Cell und das von Konzeptfahrzeug F125 Daimler. Die schweizerische Hy-Light-Fahrzeug rückte 2004 ins Licht der Öffentlichkeit. Dies ist die einzige MAN-Brennstoffzellen-Stadtbusse in Berlin für die BVG in Betrieb. [24]

Bei BMW ist die Brennstoffzelle nicht originär zur Erzeugung elektrischer Antriebsenergie gedacht. Das Konzept sieht hier für einen weiteren Verbrennungsmotor vor, der auch verbraucht ist. Das Konzeptfahrzeug hier für ist ein Typ E68 (7er Baureihe) mit einem Kryotank für Wasserstoff. Der permanent im Tank dämpfende Wasserstoff wurde als Gas in einer Brennstoffzelle genutzt, um die Stromversorgung des Fahrzeugs zu sichern. Ansonst muss die gasförmige Wasserstoff von Zeit zu Zeit im Freien abgeblasen werden.

Auslöser für in der Die erheblichen Anstrengungen Forschung insbesondere die verwirrten Nullemission act BZW. das Zero Emission Vehicle-Mandat (ZEV) in den USA, das Schlitten, Autos automatisch abgasfrei fahren lässt. Für das Jahr 2003 Kriegsführung, dass 10% aller neu angeblasenen Fahrzeuge in Kalifornien dieses Gesetz erfüllen können. [25] Kurz vorher, nach massivem Druck der amerikanischen Automobilindustrie, erdrosselt nach ZEV.

Durch den Einsatz von verstärktem emissionsfreien Fahrzeugen in Ballungszentren Großstädten und Wird Eine der Aufgabe Verbesserung dortige Luftqualität Erwartet. Ein Nebeneffekt wäre jedoch gesunken, unter dem der Wasserstoff wieder aufgestockt wurde. Für die Wasserstoffherstellung gibt es mehrere Möglichkeiten mit unterschiedlichem Effizienz.

Für den Einsatz der Mobilen Breiten Wasserstoffanwendungen gleichzeitige ist der Aufbau von Wasserstofftankstellen erforderlich Wir . Am sinnvollsten Geschieht das Durch den Umbau zu Einer der Energiewirtschaft Wasserstoffwirtschaft . Für Mitnahme von hydrogen stirbt in Fahrzeugen Druckbehälter Schalen Auch NEBEN dem Formt andere Wasserstoffspeicherung in Frage, beispielsweise in Metallhydriden oder unter Hohen Druck und Temperatur Niedriger als flüssiger Wasserstoff. Energetisch Mobile beim Einsatz ist dabei das für sterben HöHE Energiebedarf Komprimierung (ca. 700 bar) oder Die Verflüssigung (ETWA -250 ° C) zu beachten, der der Gesamtwirkungsgrad ( Well-to-Wheel) der Fahrzeuge mit Wasserstoffspeicher genau senkt.

Trotz des Hohen Wirkungsgrads der Auch gestaltet sich Brennstoffzelle Abfuhr der Abwärme Auf dem vergleichsweise Temperaturniveau der niedrigen sterben PEM -Brennstoffzelle von ETWA 80 ° C als problematisch, denn im gegensatz zum Verbrennungsmotor Beinhaltet das Relativ kalte Abgas (Wasserdampf) Nur eine vergleichsweise geringe Wärmemenge. Demzufolge ist man bestrebt, die Betriebstemperatur der PEM-Brennstoffzelle auf über 100 ° C anzuheben, um leistungsstärkere Brennstoffzellen- Kraftwagen mit mehr als 100 kW realisieren zu can.

Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes kann für die Startfähigkeit der Brennstoffzelle auf Wasser geachtet werden. Es muss sichergestellt sein, dass die elektrochemische Reaktion, die Diffusion der Brenngase, nicht beeinträchtigt wird. Das kann beispielsweise durch eine geeignete Elektrodenstruktur ereetzt werden. Verschiedene Hersteller haben 2003 und 2004 zum Zeitpunkt der Ankunft des Gefrierstart von PEM-Brennstoffzellen bei Temperaturen von bis zu -20 ° C möglich ist; Diese Startzeiten sind mit den von Verbrennungsmotoren übersetzen.

Alternativen zu Wasserstoff

Mögliche Alternativen zur Verwendung von Ethanol , Methanol oder anderen Kohlenwasserstoffen , von denen kurz für Gebrauch der Wasserstoff durch katalytische Verfahren gewonnen wurde. Dieses Verfahren verlangsamt sich in nicht unerheblicher Höhe durch CO 2-Ausstoß zur Umweltbelastung bei, die perfekt Umweltverträglichkeit von fuel cell einschränkt Ansonsten wurde. Ethanol Methanol und Können Auch aus Wasser und Kohlendioxid synthetisiert wurden, Wobei jedoch wiederum die Gewinnung von Kohlendioxid, das in der Luft nur in sehr niedriger vorkommt KONZENTRATION, energieaufwendig sein Kann. Die Wirtschaftlichkeit of this Elle Verfahren von den Katalysatoren ab Hangt, Varianten der besten Ansatz teure Platin Enthalten. Eine breite verwendung von Platinkatalysatoren zudem Würde zu Einem weiteren Verknappung von Verteuerung und Platin Führen.

Fahrzeugentwicklung

Das schon seriennah verfügbare Prototypen Kleinerer Autos HABEN zum Ziel, die Größe, das Gewicht und stirbt Umgang mit fuel cell and a geeigneter Speicherung von Wasserstoff zu erproben. So haben Daimler Fahrzeuge der A-Klasse und der B-Klasse mit Brennstoffzellen vorgestellt. In Hamburg und Stuttgart waren Busse mit im Wasserstoffantrieb Normalen Linienbetrieb getestet.

Im Raum Köln fahren Zwei Wasserstoffbusse von RVK [26] von typs „Phileas“ Niederländischen Repairers von Erweiterte öffentlichen Verkehrssysteme (APTS), bei Gründe , die Brennstoffzellen von Ballard Power Systems Inc. 150 kW Speicher.

Aufrufe seit dem 16. Juni 2008 liefert Honda in begrenztem Rahmen den PKW- FCX Clarity aus, der Ausschließlich Mit Flex Brennstoffzellen Betrieben Wird.

Seit 2007 fahren im Fuhrpark des Bundesverkehrsministeriums das erste Kfz mit Brennstoffzellen-Antrieb.

Ebenfalls seit ETWA 2007 ist also available Hybrid Fahrräder [27] und Motorräder [28] Mit Brennstoffzellenantrieb.

Mit Wasserstoff angetriebene Prototypen von Elektrofahrzeugen gehören zu zu 800 km. [29]

Der Autohersteller Ford gab am 24. Juni 2009, dass die Arbeit an Brennstoffzellen einnimmt. Ford setzt sich auf Batterien und den Elektromotor. [30] Im Dezember 2010 erkannte Ford alledings, dass intern weiter an der Brennstoffzelle gearbeitet wurde. [31] Ford ist ein gemeinsames Joint Venture (Automotive Fuel Cell Cooperation Corp., kurz: AFCC) mit der Daimler AG. Brennstoffzellen und Stacks wurden in Toronto (Kanada) gezüchtet. [32] Die Entwicklung erfolgt bei der Daimler-Tochter NuCellSys GmbH in Kirchheim unter Teck / Nabern.

Der Fahrzeughersteller Toyota , Nissan , Mercedes-Benz und Honda Hat Produktion Kosten für wasserstoffgetriebene Autos inzwischen Deutlich REDUZIERT sterben.

Daimler (Mercedes-Benz) Besitzt Eine als Einziger Fahrzeughersteller eigene komplette Fertigungsfabrik Stacks und der Brennstoffzellen [33] und slipstream die Serienfertigung von Brennstoffzellenfahrzeugen entgegen der ursprünglichen Planung um auf ein Jahr 2014 vor, [34] lieferte bis Oktober 2015 insgesamt etwa 70 Brennstoffzellenfahrzeuge in Deutschland, Asien und nach Vorwiegend Kalifornien aus. DAMIT es sich um das erste handelte Brennstoffzellenfahrzeug, binden in Einer Serie Gebaut Ausgeliefert und Wurde. Der Preis Werde mit ETWA 20-30% über das Fahrzeug mit Verbrennungsmotor Informationen angegeben Eines. Um sterben Alltagstauglichkeit von Wasserstoffantriebes und der Infrastruktur nachzuweisen, hat Mercedes-Benz(Daimler AG) eine Weltumrundung mit mehreren Brennstoffzellenfahrzeugen der B-Klasse erfolgreich abgeschlossen. Vorbereitungen 200 Serienfahrzeuge sind Types 2010 ein Kunden aus glauben. [35] Ein im Staat Kalifornien beschäftigt sich mit dem Tankstellennetz unterstutzt die Alltagstauglichkeit durch Sicherstellung einer minimalen Infrastruktur. Der Versuch schickt einen mehr an die Jahre eine hohe Zufriedenheit der Anwender und Zuverlässigkeit der Fahrzeuge. [36]

Im Jahr 2017 Wurde die ersten deutsche Mercedes-Benz Serien-Brennstoffzellenauto neue Generationen, das GLC F-Cell, ausliefern. [37] [38] Es Handelt sich um Erstmals Eine Kombination Einer Grossen Lithium-Ionen-Batterie (ca. 9-10 kWh) mit Einer Brennstoffzelle, weswegen die als Kombination Brennstoffzellen- Auch Plug-in – Hybrid bezeichnet Wird. [39] Das Fahrzeug Weist Eine hohe Effizienz erreicht und Auf eine Reichweite von über 500 km Behälter bei Zeiten von 3 Minuten. [40] Für das erste Kalenderjahr wurde Geist. 1000 Stück Quartett. [41] Äußerungen von CEO Dr. Zetscheim März 2017 zu unterschiedlichen Spekulationen zur Zukunft der Brennstoffzelle. [42] Der Konzern hat diese Äußerungen erweitert und näher erläutert, die Brennstoffzelle weiter zu fördern. [43]

Toyota gepflanzt den Einsatz von Großserien in Japan ab 2015 in verbindung mit zahlreichen Wasserstofftankstellen im Japanischen Metropolregionen. [44] Mit dem von Toyota Mirai gebrandmarkten Dezember 2014 wurde einer der Ära Serien-Brennstoffzellen-Fahrzeuge neuer Generation vorgestellt; seit September 2015 wird es auch in Deutschland aus beliefert. Der Elektromotor hält 114 kW, die Höchstgeschwindigkeit liegt bei 178 km / h. [45] Die hydrogen Wird in Zwei getrennten Tanks Gespeichert, die 700 bar Jeweils 2,5 kg Wasserstoff bei aufnehmen und nach Herstellerangaben Reichweite Eines von 500 km ermöglichen. Die Batterie ist sehr klein (1,6 kWh), die Straßen des Mirai gehören zu einem Mild-Hybriddas zeigt, dass keine elektrische Lademöglichkeit vorhanden ist. Dass ausgelieferten Autos (ca. 2800 Stück) erwiesen sich aber mehrfach als sehr unzuverlässig Teilweise, zu Einem Gesamtrückruf war alle Autos 2017 führte. [46]

Opel Wollte ab 2015 erste Modelle mit Brennstoffzellenantrieb in Serie fertigen und den Aufbau Einer flächendeckenden Infrastruktur für Wasserstofftankstellen parallel zur Markteinführung vorantreiben. [47] Zur Auslieferung kam es jedoch nicht. Mitt der Trennung von GM und Opel im Jahr 2017 würde die Zukunft des Themas bei Opel fraglich sein.

BMW und Volkswagen kündigten immer wieder an, aber auch die Demonstratoren Versuchsfahrzeuge und Prototypen. Während BMW für den inext frühestens (ab ca. 2025) Eine Brennstoffzelle evaluiert, [48] sieht VW als this stechen Pflanze Licher ein und den Einsatz vor Allem in größeren Fahrzeugen und die Oberen und Mittelklasse Oberklasse. [49] Aktuell Anlage BMW frühestes ab ca. 2021 den Einsatz von Brennstoffzellen in Pkw in Kleinserie, ggf. ab 2025 in Serie. [50] [51] Bei VW gelang es, die Entwicklung der Brennstoffzelle bei Audi zu gewinnen . [52] [53]

Luftfahrt

→ Hauptartikel : Wasserstoffflugzeug

Seit Mitte 2005 Brennstoffzellen Sind Auch in der Luftfahrt anzutreffen. Eine erste Drohne , nähern Elektromotoren von Einer Brennstoffzelle Angetrieben war, startet in Yuma , Arizona . Das DLR Arbeitete Zurzeit an der Integration der Brennstoffzellentechnik in den unbemannten Forschungsflugzeug HyFish , das im März 2007 in der Nähe von Bern Erfolgreich Messaging Erstflug absolviert. [54]

Auch eine andere Person ist in der Luftfahrt im Gange. Zu Beginn des Jahres 2008 gewann ein Testflug ein umgebauter Airbus A320 mit einer Brennstoffzelle als Backup-System für die Energieversorgung an Bord getestet. Als positiver Nebeneffekt konnte man nicht sicher sein, dass der Wasser für die Bordversorgung eingesetz wäre, das war das Abfluggewicht. [55]

Am 3. Juli 2008 betreibt Boeing zur Ersten Mal eines kleines Flugzeug, Dimona Einer von Diamond Aircraft , mit Einem Hybridantrieb: Elektro mit Lithium-Ionen – Akku und Brennstoffzelle. Nach Dem Aufstieg mit beiden Energiequellen auf 1000 Meter Höhe Würde Akkumulator des abgetrennt und der Pilot fliegt die 20 Ersten Minuten Mit der Fluggeschichte fuel cell. Entwickelt Wurde von dem Antrieb Boeing Research & Technology Europe (BR & TE) in Madrid mit Europaischen Industriepartner. [56]

Der erste (öffentlicher) Vollständiger Flug (Start – Platz Runde – Landung) Ein pilotengesteuerten Ausschließlich und mit Energie aus Brennstoffzellen angetriebener Flugzeuges fanä am 7. Juli 2009 in Hamburg statt. Bei DM Flugzeug handelt es dich um den Motorsegler Antares DLR-H2 , mit 20 metern Spannweite, die vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt ( DLR ) Sowie die Projektpartner Lange Aviation , BASF Fuel Cells und Serenergy (Dänemark) Eulen in enger Zusammenarbeit mit Airbus in 15 monaten Würde Entwickelt und Hergestellt. [57] [58]

Raumfahrt

Brennstoffzellen wurden lange als Energiewandler in der Raumfahrt verwöhnt ( Gemini , Apollo , Space Shuttle ).

Die American Space Shuttles verwöhnten Brennstoffzellen mit einer maximalen Dauerleistung von 3 × 7 kW für die Stromversorgung des Orbiter. Das bei den Brennstoffzellen analing Wasser wurde im Lebenserhaltungssystem verwöhnt.

Schifffahrt

Das weltweit erstes Brennstoffzellenboot die Hydra zu verwechseln, das Jahr 1999 vom im , Germanischen Lloyd für den öffentlichen Personenverkehr zertifiziert Wird. Wird Dafür Eine Brennstoffzelle Alkaline (AFC) ausgewählt, da this Technologie einfach und für Einsatzfälle verfügbar Krieg auf hohen See mit der salzigen Seeluft kann besser umgehen als PEM – Brennstoffzellen. Außerdem Brennstoffzellensystem Könnte das auch bei Temperaturen unter DM starten Gefrierpunkt, da erst bei Kalilauge ca. -77 ° CFryer und der Wirkungsgrad der AFC-Technologie sind noch 5% höher als der der PEM. Die Hydra hat eine Zulassung für 20 Passagier- und Beworld in den Jahren 1999/2000 Rindern 2.000 Personen. Der Wasserstoff wurde von der Metallhydridspechter Förderung gefördert und für einen Zweitagebetrieb bei acht acht Betriebsdauer.

Vorteil der Bevorratung von Wasserstoffs in Metallhydridspeichern Außerdem ist sehr kompakt, die Lagerung und möglichkeit die, das Brennstoffzellensystem beim Betanken BEREITS Durch Die vorzuwärmen Abwärme von Metallhydridspeicher, um nach DM vollere mit Betankungs losfahren Leistung zu can.

Das komplett neu entwickelte Brennstoffzellensystem Brennstoffzellenstacks basiert auf dem mit unter den Vorratsbehältern Stacks liegendes KOH (Drain-System). Das Hydra ist seit 2001 nicht mehr in Betrieb, aber noch existiert im Raum Bonn und hat weltweit Erstmals bewiesen, Dass es Möglich ist Technologie, Brennstoffzellen mit einem Schiff Passagier anzuzutreiben.

Bei U-Booten ist Deutschland der einzige Anbieter eines serienmäßig rearmed Modelle mit Brennstoffzellen-Zusatzantrieb. TKMS liefert in Kooperation mit Siemens und Nordseewerke Emdenseit 2005 U-Boot – Klasse 212 mit Einem solchen Antrieb (AIP: außenluftunabhängigen Antrieb ) aus. Leistet etwa 300  kW (408 PS) und ermöglicht eine Schleichfahrt ohne den 1050 kW Diesel Generator. Ebenso hat die U-Boot-Klasse 214 (vom selbst Hersteller) Brennstoffen an Bord. In Bau befindet sich die spanische S-80-Klasse, welches auch über einen außenluftunabhängigen Brennstoffzellen-Antrieb verfügt. Die erste Einheit soll laut Planung 2022 in Dienst gestellt werden.

Ende 2009 Wurde Eine Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) Mit 320 kW zur elektrischen Energieversorgung des Bordnetzes Auf dem norwegischen Bohrinselversorger Viking LadyInstalliert, um im erfahrungen zu sammeln Schiffsbetrieb .

Schienenverkehr

Die Schweizerischen Bundesbahnen (SBB) Führen seit Frühjahr 2014 EIN Versuch in der Rolle zuweist miniBar mit Brennstoffzellen eine hydrogen betriebener, um unterwegs genug Energievorrat für stirbt eingebaute Espressomaschine zu HABEN. This another this another accumulators for this energy increase. [59] Es wurde 12 Stück in Betrieb gesetzt, jedes Jahr wieder gesetzt. Der Versuch sei geschrieben. [60]

Der französischen Bahn Hersteller Alstom GIBT am 24. September 2014 auf den Innotrans in Berlin Bekannt that ab 2018 Nordrhein-Westfalen und Baden-Württemberg eingesetzt Züge von typ Coradia mit Brennstoffzellenantrieb zunächst in Niedersachsen getestet und später in Hessen waren. [61] [62]

Mobiltelefonie

Im Zug der neuesten Version von Smartphones funktioniert die längste Laufzeit von Akku. Allerding is this grad of the note to when stunde bis Tage begrent. Besonders Vielreisser sind oft gezwängt, durch ihr Gerät aufzulanden. Um diese Abhängigkeit von der Steckdose zu verringern, wurden von Lösungen gesungen.

Beispielsweise entwickelte das Unternehmen Liliputaner Systeme tragbare Brennstoffzellen, mit Hilfe Ansatz sich Auch unterwegs Smartphones und ohne NUTZUNG Einer Steckdose Mehrere Male aufladen Schweißen. [63] Plant die Marktführung für 2012. Die tragischen Brennstoffzellen können über einen USB-Anschluss und einen Tank mit Butangas , Dachs, die Energie liebt. [64] Im Juli 2014 berichtete das Unternehmen aus Wilmington, Massachusetts, Insolvenz an. [65]

Die Firma Intelligent Energy bietet seit Anfang 2015 Einen Wasserstoff-Brennstoffzelle Namen Upp [66] zum aufladen von Smartphones ein, zunächst allerdings nur England, anschließend in den USA. Mit Einer Ladung Sollen drei bis five Ladevorgänge Eines iPhone 6 Möglich sein, bis wieder sterben Zelle aufgeladen Durcheinander waren. Aufladevorgang der Kanns nur hierbei eine bestimmten Schalenzuführstationen Erfolgen. [67]

Die Firma eZelleron wird die Brennstoffzelle Mit Kraftwerk auf Basis von Butan -Gas Energie für die elfmalige Laden Eines Smartphones zur verfügung gesetzt. [68] Die Markteinführung über Crowdfunding verwechselt für Anfang 2016 und erst Wird auf Januar 2017, Dann auf August 2017 verschoben gepflanzt. [69]

Siehe auch

  • CaFCP California Fuel Cell Partnerschaft
  • Tabelle-Gleichheit
  • Bio-Brennstoffzelle
  • Mikrobielle Brennstoffzelle
  • Polymerelektrolytelastomer

Literatur

  • Peter Kurzweil: Brennstoffzellentechnik. Vieweg, Wiesbaden 2003, ISBN 3-528-03965-5 ; 2. erweiterte und aktuelle Auflage: Springer Vieweg, Wiesbaden 2013, ISBN 978-3-658-00084-4 .
  • Sven Geitmann: Wasserstoff & Brennstoffzellen – Die Technik von morgen. 2. Auflage, Hydrogeit Verlag, Kremmen 2004, ISBN 3-937863-04-4 .
  • Krewitt, Pehnt, Fischedick, Temminghoff: Brennstoffzellen in der Kraft-Wärme-Kopplung – Ökobilanzen, Szenarien, Marktpotenziale. Erich Schmidt Verlag, Berlin 2004, ISBN 3-503-07870-3 .
  • CMT – Zentrum für maritime Technologien e. V .: Zukünftige Energieversorgung und Mobilität. In: Schiff & Hafen. Aufzüge 9/2009, S. 72-73, Seehafen-Verlag, Hamburg, ISSN  0938-1643
  • US-Abteilung für Energie, Büro oder Fossilienenergie, Nationales Energietechnologisches Laboratorium: Fuel Cell Handbook, Sixth Edition. EC & G Technische Dienste, Inc., Science Applications International Corp. DE-AM26-99FT40575, Morgantown, W. Virginia, November 2002.
  • Peter Gerigk, Detlef Bruhn, Dietmar Danner, Leonhard Endruschat, Jürgen Göbert, Heinrich Gross, Dietrich Kruse, Christian Rasmussen, Rainer Schopf: Kraftfahrzeugtechnik. 5. Auflage, Westermann Verlag, Braunschweig 1997, ISBN 3-14-231800-3 .
  • Wer funktioniert das? – Technik heute. Meyers Lexikonverlag, Mannheim 1998, ISBN 3-411-08854-0 .

Einzelstunden

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  53. Hochspringen↑ Brennstoffzellen: Audi bekommt Ballard Power Großauftrag. Abgerufen am 6. August 2017 .
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  65. Hochspringen↑ Kein Nektar – Insolvenz von Lilliputan Systems
  66. Hochspringen↑ Upp
  67. Hochspringen↑ Juli Clover: Ein Blick auf die Brennstoffzelle mit intelligenter Energie von Intelligent Energy, Upps Hydrogen Power Pack für iPhone. Bei: MacRumors.com. 19. Februar 2015, abgerufen am 25. Februar 2015.
  68. Hochspringen↑ kraftwerk – hochinnovatives tragbares Kraftwerk. Bei: Kickstarter.com.
  69. Hochspringen↑ http://getkraftwerk.com/ , abgelaufen 13. September 2016

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