BrennstoffzelleBrennstoffzellen, Brennstoffzelle, umweltfreundliches Wasserstoff, Niedertemperaturbrennstoffzellen, Niedertemperaturbrennstoffzelle, Wasserstofftanks, Flüssigwasserstoff

    

 

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Brennstoffzellen, Brennstoffzelle, umweltfreundliches Wasserstoff, Niedertemperaturbrennstoffzellen, Niedertemperaturbrennstoffzelle, Wasserstofftanks, Flüssigwasserstoff

 

http://www.glossar.de/glossar/z_brennstoffzelle.htm

Die englische Bezeichnung lautet: "fuel cell"

Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung zur direkten Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie - analog zur Batterie. Anders als bei galvanischen Zellen oder Batterien entlädt sich eine Brennstoffzelle aber nicht, und sie kann auch nicht aufgeladen werden: Sie arbeitet kontinuierlich, solange von außen Brennstoff und Oxidationsmittel zugeführt werden. Dabei liegt der Wirkungsgrad heutiger (Stand 1999) Brennstoffzellen maximal bei etwa 70-85%, also weitaus höher als der Wirkungsgrad üblicher Kraftwärme-Maschinen wie beispielsweise Dampfturbinen mit 30 oder 35%.

Eine Brennstoffzelle enthält

  • eine Anode, an der der Brennstoff zuströmt (meist Wasserstoff oder wasserstoffreiche Gase), und
  • eine Kathode, an der das Oxidationsmittel zuströmt, meist Luft oder Sauerstoff.

Die beiden Elektroden sind durch einen elektrolytischen Ionenleiter voneinander getrennt. Bei einer klassischen Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle läßt ein elektrochemischen Vorgang in der hauchdünnen Membran nur Protonen, also positiv geladene Wasserstoff-Ionen (H+), passieren. Die Elektronen der Wasserstoff-Atome werden beim Durchgang abgelöst und bleiben zurück, während die Wasserstoff-Ionen mit den Sauerstoffteilchen auf der anderen Seite reagieren. Durch den Elektronenüberschuß auf der Wasserstoffs-Seite und Elektronenmangel auf der Sauerstoff-Sseite des Elektrolyts bilden sich Plus- und Minuspol (Kathode/Anode), an denen elektrische Energie entnommen werden kann. Die Energie stammt aus der Reaktion der Wasserstoffteilchen mit den Sauerstoffteilchen.

Formal lautet die Anodenreaktion:

2 H2 + 2 O2-    =>   2 H2O + 4 e

Die Kathodenreaktion lautet:

O2 + 4 e–    =>   2 O2-

Als Abfallprodunkt entsteht an der Anode lediglich unbedenkliches Wasser bzw. Wasserdampf. Ingenieurmäßig muß hier noch für eine kontinuierliche Abführung gesorgt werden, damit die Zelle nicht überflutet wird.

Die Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle hat sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt. Neue Typen erlauben weiterführende Anwendungen:

  • Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
     
    Diese Brennstoffzelle ist eine Hochtemperaturbrennstoffzelle, die bei Temperaturen von etwa 1000°C arbeitet. Bei diesen Temperaturen ist der Feststoffelektrolyt ("Solid Oxide") - Zirkoniumdioxid (ZrO2) mit Zusatzstoffen - in der Lage, Sauerstoffionen zu transportieren. Geeignete Brennstoffe sind in diesem Fall neben reinem Wasserstoff auch Kohlenmonoxid, Methan oder Erdgas. An der Kathode wird Luft oder Sauerstoff zugeführt. Die hohe Arbeitstemperatur solcher Feststoffoxid-Brennstoffzellen erlaubt die direkte Zufuhr von Methan als Brennstoff, der nicht den Einsatz eines teuren Platinkatalysators an der Anode erfordert. Diese Zellen sind außerdem relativ unempfindlich gegenüber Verunreinigungen im Brennstoff, z.
     B. Schwefel- und Phosphorverbindungen - diese würden die Wirksamkeit der anderen Brennstoffzellentypen beeinträchtigen.
    Als Einsatzbereich solcher Brennstoffzellen bietet sich die Stromerzeugung in Kraftwerken an.
     
  • Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEM-FC)
     
    Mit 80-100°C typischer Betriebstemperatur, einschließlich der Möglichkeit diese Zelle bei Raumtemperatur zu betreiben, muß dieser Typ den Niedertemperaturbrennstoffzellen zugeordnet werden. Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Betriebstemperatur eignet sich dieser Brennstoffzellentyp für mobile Anwendungen.
    Der NECAR 4 von DaimlerChrysler verwendet beispielsweise die PEM-FC-Technik und wird mit Flüssigwasserstoff angetrieben, der sich in einem zylindrischen, an eine große Thermosflasche erinnernden Kältetank im hinteren Fahrzeugbereich befindet.
    Laut DaimlerChrysler "bieten Brennstoffzellen die Reichweite konventioneller Verbrennungsmotoren und die emissionstechnischen Vorteile von Elektrofahrzeugen. Anders als bei Elektrofahrzeugen, die über Nacht an die Ladestation angeschlossen werden müssen, braucht man zum Tanken aber nur wenig Zeit. Und doch ist das Fahrzeug so geräuscharm wie ein Elektrofahrzeug und hat nur wenige sich bewegende Einzelteile."

Eingesetzt werden Wasserstoff-Sauerstoff-Zellen mit Ionenaustausch-Membranen oder immobilisierten Phosphorsäureelektrolyten seit den 60er Jahren - z.B. in den Gemini- und Apollo-Raumfahrtprogrammen der USA, weil sie mit geringer Masse der Brennstoffzelle und der benötigten Gase große Mengen elektrischer Energie erzeugen können. Das Wasser ist zudem ein willkommenes ,,Abfallprodukt`` für die Astronauten.

Weitere Anwendungsbeispiele sind:

  • Cryoplane, das Flugzeugprogramm der DaimlerChrysler Aerospace AG (Hamburg), will spätestens 2002 mit einem wasserstoffbetriebenen Flugzeug in der Luft sein. Spätestens 2010 sollen die ersten Passagiere von Frankfurt nach München befördern werden können, ganz ohne Kerosin in den Tanks.
  • Eine einzige vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Freiburg) 1998 entwickelte kleine Patrone reicht aus, um ein handelsübliches Notebook zehn Stunden lang mit Strom aus einer Mini-Brennstoffzelle zu versorgen. Die Kosten sollen bei größeren Stückzahlen deutlich unter denen herkömmlicher Lithium-Akkus liegen.
  • Dezentrale Kleinkraftwerke, die Wasserstoff rückstandslos in Niedertemperatur-Brennstoffzellen verfeuern, stoßen inzwischen bei immer mehr Kommunen auf Interesse. Und im Zuge der Umwelt- und Energiedebatte findet der Wasserstoff auch immer mehr Anhänger in der Politik.
  • Vaillant hat die Vision eines Brennstoffzellen-Heizgerätes, das Strom und Wärme erzeugen kann. Der Verkaufsstart soll 2002 sein.

siehe auch:


 

GEW nimmt Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk in Betrieb
(Meldung vom 9. Mai 2000)

Mit einem Kostenaufwand von 2,5 Millionen DM hat die GEW Köln AG im Klärwerk Köln-Rodenkirchen das europaweit erste auf Klärgasbasis betriebene Brennstoffzellenheizkraftwerk errichtet. Die Anlage im Kölner Klärwerk Rodenkirchen im Süden der Stadt ging Anfang Mai offiziell ans Netz und liefert gleichzeitig Strom und Wärme.

Zum Einsatz kommt eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle mit einer elektrischen Leistung von 200 Kilowatt und einer Wärmeleistung von 205 Kilowatt. "Das grundlegend Neue an dieser Anlage ist die Verwendung von aufbereitetem Klärgas als Energieträger für die Brennstoffzelle", erklärt GEW-Vorstandssprecher Helmut Haumann. "Es ist die erste Anlage dieser Art in Europa."

Die eigentliche Innovation besteht in der Reinigung des Klärgases. Dieses muß von Fremdstoffen (Siloxane, Halogene, Schwefelverbindungen) gereinigt und entfeuchtet werden. In mehreren Verfahrensschritten entsteht so ein wasserstoffreiches Gas, das im Brennstoffzellenstapel durch eine elektrochemische Reaktion Energie in Form von Strom und Wärme erzeugt - ohne Verbrennung. Dieser Prozeß läuft bei Temperaturen von rund 200°C ab.

Die Stromproduktion reicht aus, um das Klärwerk etwa zur Hälfte zu versorgen, und die Wärme dient der Beheizung der zur Erzeugung des Klärgases erforderlichen Faulbehälter sowie der auf dem Betriebsgelände liegenden Bürogebäude.

Der Einsatz des erneuerbaren Energieträgers Klärgas schont nicht nur die verfügbaren Vorräte an fossilen Energieträgern. Er reduziert auch wesentlich die Treibhausgas-Emissionen. Bis dato wurden rund 30.000 Kubikmeter Klärgas monatlich nutzlos abgefackelt und 16.000 weitere Kubikmeter thermisch verwertet. Durch den Einsatz des Klärgases werden alle anfallenden Mengen genutzt. Die Anlage wird der Umwelt künftig bis zu 1000 Tonnen an Kohlendioxidemissionen im Jahr ersparen.

Das Brennstoffzellenheizkraftwerk gehört auch in das Konzept für Ökostrom, faircolon' energreen. Der erzeugte Strom wird dem ASEW-Pool für energreen gemeldet und steht dort zur Verfügung.

Diese Anlage wurde auch gefördert von der Landesinitiative Zukunftsenergien der nordrhein-westfälischen Landesregierung. Sie wird dort als Leitprojekt geführt.

Als eines von 25 Projekten aus NRW gehört das Brennstoffzellen-Heizkraftwerk zu den weltweiten Partnerprojekten der EXPO 2000 in Hannover. Ab 1. Juni wird es an Wochenenden regelmäßige Führungen durch die Anlage für die interessierte Bevölkerung geben. Darüber und über die Anlage insgesamt informiert auch eine Website. Unter www.brennstoffzelle-koeln.de können sich interessierte Internet-Nutzer auch einen dreidimensionalen Überblick über die Anlage direkt am Bildschirm verschaffen.
 

Die nächsten Schritte ...
(Meldung vom Nobember 1999)

Die Frage der Infrastruktur für Brennstoffzellenfahrzeuge muss nach Ansicht von Prof. Dr. Ferdinand Panik, Leiter des Projekthauses Brennstoffzelle der DaimlerChrysler AG, jetzt zügig angegangen und bald entschieden werden, um Wettbewerbsvorteile für Deutschland und die USA zu sichern.

Laut Prof. Panik ist die technologische Machbarkeit des Brennstoffzellenantriebs bewiesen. Mittlerweile arbeiteten weltweit mehr als 60 Firmen an der Brennstoffzelle, darunter sieben der zehn umsatzstärksten Unternehmen. Mehrere Automobilunternehmen hätten für die nächsten fünf Jahre die Einführung brennstoffzellengetriebener Fahrzeuge angekündigt.

Allein die vier größten japanischen Automobilunternehmen würden im Jahr 1999 über 1 Milliarde Mark (etwa 500 Millionen Euro) eigene Mittel in die Entwicklungsarbeiten der Brennstoffzelle investieren.

"Die Brennstoffzellenaktivitäten sind heute längst nicht mehr technologiegetrieben oder durch den Umweltschutz beeinflusst, sondern sie stellen inzwischen einen echten Wettbewerbsfaktor dar", so Prof. Panik auf einem Pressesymposium in Stuttgart. "Wir begreifen die Brennstoffzelle als wirtschaftliche Chance zur Sicherung von High-Tech-Arbeitsplätzen und unternehmerischen Erfolg."

Um dieses Ziel zu erreichen, biete DaimlerChrysler seine intensive Mitarbeit an, gehe Kooperationen ein und bringe die schon geleisteten Vorarbeiten mit in das gemeinsame Vorgehen ein.

Es werde jetzt darauf ankommen, wo die politischen Weichen gestellt werden, die der Brennstoffzelle im Auto auf ihrem Weg in die Serienreife freie Fahrt geben. Denn ob in USA, Japan oder europaweit - die Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie eröffne neue Geschäftsfelder und damit Arbeitsplätze und fordere gleichzeitig neue Formen der Ausbildung und der Produktionsprozesse. Der Erfolg im internationalen Wettbewerb hänge in kritischem Maße von einem frühen Beginn dieses Transformationsprozesses ab.

Dazu komme, dass durch die Begrenzung der Ölvorkommen einerseits und der wachsenden Nachfrage andererseits alternative Kraftstoffe spätestens ab 2020 relevant werden.

Die Brennstoffzelle ist für Prof. Panik "ein Prüfstein für die immer wieder erklärte Risiko- und Innovationsbereitschaft von Wirtschaft und Regierung: sie sind ein entscheidender Faktor, zum Wohle von Umwelt, Wirtschaft und Arbeitsmarkt neue Technologien zu etablieren."

Erste Projekte, die auch die Infrastruktur zum Inhalt haben, stünden in Kalifornien, USA und Japan kurz vor dem Start.

Welcher Kraftstoff für den Massenmarkt eingesetzt werden solle, müsse jetzt auch in Deutschland und Europa mit Nachdruck geprüft werden, denn diese Ergebnisse werden sich nicht zuletzt auch auf den Bau der Aggregate auswirken.

Bei der umwelt- und marktgerechten Entscheidung über den Kraftstoff der Zukunft sollten die hierfür wesentlichen Faktoren wie Emissionswerte, technologische Reife der Verfahren sowie Distributionskanäle eine herausragende Rolle spielen.
 

Erster Brennstoffzellenbus im Flottenbetrieb:
Wasserstoff-Bus von MAN fährt zur EXPO 2000 in Berlin
(Meldung vom Mai 1999)

Schluß mit den Abgaswolken aus den "großen Gelben" der BVG - zumindest für neun Monate und leider nur auf einer Linie: vom Flughafen Tegel zum Bahnhof Zoo. Dort wird die BVG zum Start der Weltausstellung EXPO ab Juni 2000 einen besonderen Elektro-Bus einsetzen: den weltweit ersten Brennstoffzellen-Bus, der im öffentlichen Nahverkehr einer Stadt im Flottenbetrieb fährt.

Anläßlich der Konzeptvorstellung zum Brennstoffzellenbus erklärte Wirtschaftsstaatssekretär Dieter Ernst:

"Der Brennstoffzellenbus ist der erste seiner Art für den täglichen Einsatz im öffentlichen Personennahverkehr. Mit dem geplanten Einsatz dieser Technologie hat Berlin eine Vorreiterrolle eingenommen. Pünktlich zur Eröffnung der Expo im Juni 2000 wird der Bus zwischen Flughafen Tegel und dem Zoologischen Garten verkehren. Dieser Bus wird der erste mit flüssigem Wasserstoff angetriebene Brennstoffzellenbus sein. Mit der Technologie ist eine Nullemission verbunden. Damit hat Berlin die Perspektive, die Schadstoffbelastung der Luft deutlich zu reduzieren.
Das Projekt setzt innovative Maßstäbe für umweltfreundlichen Nahverkehr. Nach neunmonatigem Einsatz in Berlin wird der Bus auch in Kopenhagen und Lissabon fahren, um die Auswirkungen auf das Fahrzeug durch unterschiedliche Klima- und Geländeeinflüsse untersuchen zu können."

Der Bus, der über eine Leistung von 150 KW verfügt, wird von MAN in München hergestellt. In der Serienproduktion wird der Bus etwa 20 Prozent teurer sein als ein normaler Linienbus (rund 400.000 Mark). Den flüssigen Wasserstoff führt der Bus tiefgekühlt (-253°C) in Tanks, die 700 Liter fassen, auf dem Dach mit sich. Das reicht für mehr als 400 Kilometer. Alle zwei Tage muß der Bus mit einem Spezialtankwagen neu befüllt werden, da es eine Wasserstoff-Tankstelle in Berlin noch nicht gibt. Die Betankung des Busses erfolgt in weniger als zehn Minuten.

Das Wasserstoffprojekt am Flughafen München
(Meldung vom Mai 1999)

Mit der Eröffnung der weltweit ersten öffentlichen Tankstelle für flüssigen und gasförmigen Wasserstoff (mit Erzeugung des gasförmigen Wasserstoffes vor Ort) am Flughafen München haben 13 Vorstände namhafter Unternehmen zusammen mit dem Bayerischen Minister für Wirtschaft, Verkehr und Technologie Dr. Otto Wiesheu ein zukunftsweisendes Projekt zur Nutzung des Energieträgers Wasserstoff dem Testbetrieb übergeben. "Wasserstoff ist der Energieträger der Zukunft", erklärte Wiesheu. "Mit diesem Projekt nimmt der Freistaat Bayern bei der Wasserstofftechnologie eine Vorreiterrolle ein."

Weltweit erstmals werden in diesem Projekt neben der Herstellung und Speicherung von gasförmigem Wasserstoff auch die vollautomatische Betankung von PKW mit flüssigem Wasserstoff sowie der Einsatz von Vorfeldbussen für den Fluggasttransport unter den Sicherheitsanforderungen eines Flughafens erprobt. Ziel ist es, Erkenntnisse über die Alltagstauglichkeit und Wirtschaftlichkeit des Energieträgers Wasserstoff zu gewinnen.

Mit der ersten öffentlichen Tankstelle zur Flüssigwasserstoff-Betankung und der Wasserstofferzeugung durch einen neu entwickelten Druckelektrolyseur werden wichtige Meilensteine für die Zukunftstechnologie Wasserstoff gesetzt.

Das Wasserstoffprojekt am Flughafen München wurde von der "ARGEMUC", einer Arbeitsgemeinschaft der Unternehmen Aral, BMW, FMG, GHW/HEW, Grimm, HDW, HEW, IAW, LINDE, MAN-Nutzfahrzeuge, MAN-Technologie, MANNESMANN, NEOPLAN und SIEMENS realisiert und sicherheitstechnisch vom TÜV begleitet. Die Gesamtkosten in Höhe von rund 34 Millionen Mark tragen die Projektpartner und der Freistaat Bayern. Er fördert das Projekt zur Hälfte mit öffentlichen Mitteln. 

NECAR 4: A-Klasse mit Brennstoffzelle
(Meldung vom März 1999)

Die DaimlerChrysler-Vorstandsvorsitzenden Robert J. Eaton und Jürgen E. Schrempp stellten im März 1999 ein Null-Emissions-Fahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb in den Vereinigten Staaten vor, das sich durch eine außergewöhnlich hohe Reichweite und gute Fahrleistung auszeichnet.
Der Versuchsträger NECAR 4 erzeugt Strom und Wasserdampf mit Hilfe der Brennstoffzellentechnologie. Der Wagen, ein Fahrzeug der Mercedes-Benz-A-Klasse, erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von rund 145 km/h und kann mit einer Tankfüllung bis zu 450 km weit fahren. Den Technikern gelang es, das gesamte Brennstoffzellensystem im Fahrzeugboden unterzubringen. Damit bleibt im Wagen der übliche Platz für bis zu fünf Fahrgäste und Gepäck erhalten.
DaimlerChrysler plant die Serienfertigung von Brennstoffzellen-Fahrzeugen ab dem Jahr 2004. Der Konzern will dann mehr als 1,4 Mrd. US-Dollar (über 2 Mrd. DM) in die Entwicklung der Brennstoffzellen-Technologie investiert haben. Das entspricht einer Summe, wie sie für die Einführung einer Fahrzeug-Modellreihe wie z. B. Chrysler 300M oder Dodge Intrepid ausgegeben wird.
"Bei dem Rennen um die Entwicklung hochleistungsfähiger, komfortabler und praktisch Null-Emissions-Fahrzeuge liegt DaimlerChrysler in Führung", erklärte DaimlerChrysler-Vorstandsvorsitzender Bob Eaton. "Mit NECAR 4 haben wir bewiesen, daß die Brennstoffzellentechnologie einen gangbaren Weg darstellt. Jetzt werden wir daran arbeiten, diese Technologie für den Verbraucher erschwinglich zu machen."
"Wir wollen die Leistungsfähigkeit unserer Fahrzeuge in allen Bereichen und auf allen Ebenen steigern", fügte DaimlerChrysler-Vorstandsvorsitzender Jürgen Schrempp hinzu. "Wir investieren in die Brennstoffzelle, weil wir in der nachhaltigen Mobilität eine Verpflichtung sehen und weil wir glauben, daß diese Investition sich auszahlt. Die Brennstoffzelle bietet das Potential, das attraktivste alternative Antriebssystem der Zukunft zu werden."             
Nach Meinung von Schrempp liegt DaimlerChrysler im "Technologierennen" ganz vorne: "Seit 1994 hat DaimlerChrysler fünf unterschiedliche Brennstoffzellen-Fahrzeuge vorgestellt, die alle ohne Batterie als Zwischenspeicher auskommen. Inzwischen haben wir für die schwierigsten technischen Probleme Lösungen erarbeitet."

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