9. Brennstoffzellen

Schönbein schrieb die im Februar 1839 veröffentlichte Abhandlung im Dezember 1838.

Grove schrieb den die Brennstoffzelle betreffenden Teil der Abhandlung als Post‐Skriptum erst im Januar 1839.

Dampfmaschinen hatten aufgrund der geringen Temperatur deutlich unter 10 % Wirkungsgrad, während mit Brennstoffzellen schon über 50 % erreicht wurden.

Inzwischen mehrfach geändert und durch insgesamt 9 Emissionsklassen ersetzt, die über „Anrechnungsfaktoren“ verrechnet werden können.

Hier sind insbesondere Brennstoffzellen als Pkw‐Antrieb zu nennen, die technisch ausgereift sind und im Wesentlichen an Kostenproblemen und mangelnder Infrastruktur leiden. Hyundai und Toyota starteten 2014 in Korea bzw. Japan den Verkauf von Brennstoffzellenfahrzeugen, der Vertrieb in der BRD startete Anfang 2016. Auch Brennstoffzellen‐Blockheizkraftwerke zur Strom‑ und Wärmeversorgung kleiner Haushalte sind marktreif. Während in Deutschland erste dieser mit Erdgas betriebenen Brennstoffzellen‐Gasthermen seit April 2014 käuflich sind (Viessmann Vitovalor 300‑P), waren in japanischen Haushalten schon Mitte 2013 ca. 40.000 solcher Geräte im Einsatz. Panasonic hat inzwischen in Japan über 100.000 Anlagen verkauft (und reklamiert dabei einen Marktanteil von 50 % für sich).

GBFCs, Glucose BioFuel Cells, sind ein Kandidat für Brennstoffzellen zur Stromversorgung von Herzschrittmachern oder Insulinpumpen etc., die den Brennstoff aus körpereigenen Säften gewinnen. GBFCs zeigten in Ratten schon über 30 Tage lang konstante Leistungsparameter [17, 18].

Brennstoff bzw. Oxidator.

Firmenname einer speziellen Kunststofffolie.

Bei Berechnung mit dem Massenstrom muss der Brennwert ∆H von Tab. 9.1 natürlich mit der Molmasse auf die Einheit kJ/kg umgerechnet werden.

Da der Unterschied zwischen Heizwert und Brennwert bei Wasserstoff ca. 18 % beträgt, ist ein eindeutiger Bezug zwingend notwendig, da sonst bei einer künftigen Wasserstoffwirtschaft die „Energiekette“ von der Quelle bis zum Verbraucher (well‐to‐wheel) nicht zweifelsfrei bewertet werden kann.

Unter Purgen versteht man das Öffnen eines Auslassventils auf der Brennstoffseite (oder auch Sauerstoffseite), um inerte Gase auszuspülen, die mit dem Brennstoff mit in die Zelle kommen. Selbst hochreiner Wasserstoff enthält immer einen geringen Anteil unerwünschter Spezies, die sich ohne Purgen mit der Zeit in der Zelle akkumulieren, da sie nicht an der Reaktion teilnehmen.

Der Begriff Überspannung beschreibt generell die Differenz zwischen theoretischer und realer Spannung. Bei Elektrolyseuren erhöht die Überspannung die notwendig anzulegende Spannung, bei Brennstoffzellen reduziert sie die erreichbare Spannung. Je nach Literatur werden statt Überspannung auch die Begriffe Polarisation, Hemmung oder Verlust verwendet.

Teilweise werden darunter auch alle weiteren stromflussproportionalen Anteile der Aktivierung oder Diffusion subsummiert.

Die derzeit größte Anlage stellt ein 59‐MW Brennstoffzellen‐Park der US‐amerikanischen Firma FuelCell Energy (FCE) dar. Diese Anlage wurde im Februar 2014 in Hwasung City in Süd‐Korea in Betrieb genommen, bestehend aus 21 Schmelzkarbonat‐Brennstoffzellen à 2,8 MW.

In den 1960er Jahren noch ca. 10 mg Platin pro cm² Zellfläche, heute schon teilweise bei nur 0,5 mg/cm² oder weniger.

Man unterscheidet die Begriffe: (a) mobile Brennstoffzelle: mobile Anwendung in der Elektrotraktion, BZ‐Typ beliebig, (b) mobiler Elektrolyt: flüssiger Elektrolyt wird in einem Kreislauf durch die Zelle geführt.

Alkalische Zellen erreichten früher die höchsten Wirkungsgrade, da die Kinetik der Sauerstoffreduktion hier schneller abläuft als in sauren Medien. Systemwirkungsgrade größer 60 % waren auch bei geringer Leistungsgröße möglich.

Dieser Vorteil schwindet zunehmend, da die Froststartfähigkeit bei den PEM‐Systemen der Kraftfahrzeuge durch entsprechende An‑ und Abfahrprozeduren inzwischen auch erreicht wurde.

Die Rohstoffpreise von Platin, Silber und Nickel liegen aktuell (Oktober 2017) bei einem Verhältnis von ca. 2500 : 45 : 1.

Hochtemperatur‐PEM‐Brennstoffzellen tolerieren noch ohne größere Leistungseinbußen einen Kohlenmonoxidgehalt von etwa einem Prozent im Reformatgas aus der Dieselreformierung [21].

Daimler mit Ford und Renault‐Nissan, Opel/GM mit Honda, VW mit Ballard Power Systems, BMW mit Toyota; Toyota mit Honda, Hyundai mit Kia und Nissan.

BMW setzte lange Zeit mehr auf den Wasserstoff‐Verbrennungsmotor und erprobte bzgl. Brennstoffzellen nur den Einsatz einer 5 kW‐PEFC als Batterieersatz und für den motorunabhängigen Antrieb von Klimaanlage und weiterer zukünftig elektrisch angetriebener Komponenten. Die Forschung an einem SOFC‐System, das statt Wasserstoff Benzin als Brennstoff hätte verwenden können, wurde schon vor längerem eingestellt und Anfang 2013 durch eine Kooperation mit Toyota zur Entwicklung von Brennstoffzellen als Hauptantrieb ersetzt.

Toyota gab für sein Brennstoffzellenmodell FCHV‐adv eine Grenze von −37 °C an.

Die Entwicklungen konzentrierten sich wie bei den anderen Herstellern nach 2000 auf Wasserstoffsysteme, da sowohl auf Fahrzeugseite die Entwicklungskapazitäten und ‑kosten keine Weiterentwicklung konkurrierender Systeme zuließen als auch ein paralleler Aufbau von zwei neuen Infrastrukturen zur Treibstoffversorgung wirtschaftlich nicht zu verkraften ist.

Eines der B‐Klasse F‐Cell‐Fahrzeuge legte inzwischen über 300.000 km zurück. Auf Basis dieser B‐Klasse‐Technologie entwickelte Daimler auch eine zweite Generation von Bussystemen, die ab 2011 im Citaro FuelCellHybrid an Kunden in Europa ausgeliefert wurden.

Neben dem Platinpreis sind vor allem die geringen Stückzahlen der Brennstoffzellenkomponenten ein Kostentreiber bei der Fertigung. Der Serienstart des Hyundai ix35 FCEV Ende 2013 beschränkte sich auf 1000 Einheiten; wegen der auf über € 100.000 geschätzten Herstellkosten wurden die Fahrzeuge nur an Flottenkunden verleast. Im Mai 2015 kam der Hyundai ix35 Fuel Cell zum Preis von € 65.450,– in der BRD auf den Markt. Der ToyotaMirai wurde ab September 2015 zum Preis von € 78.580,– angeboten.

Daimler gibt für den GLC F‐Cell einen Pt‐Gehalt von nur noch 20 Gramm im Brennstoffzellensystem an und liegt somit nur noch um den Faktor zwei bis drei über dem Pt‐Gehalt eines Diesel‐Abgaskatalysators. Bei dem aktuellen Preis von ca. 25 €/Gramm entspricht dies einem Materialwert von nur noch 500 €. Aus einer Brennstoffzelle kann das Platin nach Ablauf der Lebensdauer fast vollständig zurückgewonnen werden, nach [20] werden Recyclingraten von über 98 % erreicht. Demgegenüber kommt es in Abgaskatalysatoren durch die hohen Temperaturen zu einem erheblichen Gewichtsverlust des Platins, wodurch ein Recycling unwirtschaftlicher ist i. V. zu einer Brennstoffzelle.

Die Reichweite wird mit 589 km angegeben, der auf Benzin umgerechnete Verbrauch mit 3,46 Liter/100 km.

Diese Membranen verwenden heterozyklische Verbindungen, die sowohl als Protonendonator als auch als ‑akzeptor fungieren und damit auch ohne Wasser hohe Leitfähigkeiten erreichen. Entsprechende Membranen befinden sich jedoch noch im Forschungsstadium.

Abgesehen von militärischen und Raumfahrt‐Anwendungen, bei denen kein echter kommerzieller Markt besteht.

Hohe Gehalte an Kohlendioxid haben Biogas, Klärgas und Deponiegas. Dementsprechend wurden für diese Einsatzgebiete seit ca. 2000 fast ausschließlich MCFCs eingesetzt. Vor 2000 kamen wegen des damals schon hohen Entwicklungsstands hauptsächlich PAFCs zum Einsatz.

FCES ist seit 2012 als 100 %‐Tochter von FCE, Inc. USA für Vertrieb, Bau, Installation und Service in Europa zuständig.

Schon die Schadstoffemissionen des „Hot Module“ waren so gering, dass die Verbrennungsgase nicht mehr als Abgas eingestuft wurden, sondern als Abluft, was das Einsatzspektrum der MCFCs erweitert.

Eine Kombination mit einer Dampfturbine zur Stromerzeugung ist bei dem Temperaturniveau einer MCFC prinzipiell auch möglich, bei den momentan favorisierten geringen Leistungseinheiten jedoch noch nicht sinnvoll.

Unter Cermet wird ein Verbundwerkstoff verstanden, bestehend aus einem keramischen Werkstoff in einer metallischen Matrix.

Die aktuellen Keramiken werden schon ab ca. 700 °C leitfähig, Ziel ist eine weitere Reduzierung auf 600 °C, um kostengünstigere Materialen einsetzen zu können.

Erdgas enthält bis zu 8 % höhere Kohlenwasserstoffe.

Eine reine Methan‐Wasserdampf‐Atmosphäre wäre stark oxidierend, was bei dem Nickel‐Katalysator des Stack zu schnellerer Alterung führen würde.

APU: Auxiliary Power Unit.

DESTA: Demonstration of 1st European SOFC Truck APU.

Siemens erreichte mit den tubularen SOFCs schon Degradationsraten von nur ca. 0,1 % je 1000 Stunden Betriebszeit; bei planaren SOFCs lagen die besten Werte bei ca. 0,2 %/1000 h.

Für den Betrieb wäre bzgl. Wirkungsgrad und Aufheizzeit eine möglichst dünne Zelle vorteilhaft, allerdings steigt bei zu dünnen Zellen die Ausschussquote während des Herstellungsprozesses und der Montage zu stark an, so dass sich für jede Bauart ein wirtschaftliches Optimum der Zellendicke ergibt.

Hierbei dient das bei der Verbrennung entstehende Kohlenmonoxid als Brennstoff der SOCF. Diese „Voto“‐Brennstoffzelle erhielt 2013 einen Innovationspreis, konnte jedoch (noch) nicht zu einem marktfähigen Produkt entwickelt werden.