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2022 | OriginalPaper | Chapter

9. Brennstoffzellen

Authors : David Degler, Udo Schelling, Frank Allmendinger

Published in: Energietechnik

Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden

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Zusammenfassung

Brennstoffzellen, insbesondere mit Wasserstoff als Brennstoff, sind mit der Vision der Wasserstoffwirtschaft für eine klimaneutrale Gesellschaft in den Fokus der Mobilität und Energieversorgung gerückt. Dabei ist diese Vision nicht neu und Wasserstoff als zukünftiger Energieträger wurde bereits 1874 von Jules Verne (1828–1905) in seinem Buch Die geheimnisvolle Insel beschrieben. Im 19. Jahrhundert, schon vor dem Einsatz der Verbrennungskraftmaschinen und der Erfindung des elektrischen Generators, wurden die Grundlagen der Brennstoffzellentechnologie entdeckt und beschrieben.
Footnotes
1
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.
 
2
Dampfmaschinen hatten aufgrund der geringen Temperatur deutlich unter 10 % Wirkungsgrad, während mit Brennstoffzellen schon über 50 % erreicht wurden.
 
3
Ausschlaggebend für die Klimaneutralität von FCEVs ist die Erzeugung des Brennstoffs Wasserstoff, siehe Abschn. 9.6.
 
4
Für Wasserstoff beträgt der Unterschied zwischen Heizwert und Brennwert ca. 18 %, so dass bei fehlendem Bezugspunkt Angaben nicht korrekt bewertet oder verglichen werden können.
 
5
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 gelangen. 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.
 
6
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.
 
7
Teilweise werden darunter auch alle weiteren stromflussproportionalen Anteile der Aktivierung oder Diffusion subsumiert.
 
8
Die Bezeichnung gelber Wasserstoff wird meist für Elektrolysewasserstoff aus einem konventionellen Strommix (Atomstrom, fossile und regenerative Stromerzeugung) verwendet.
 
9
In den 1960er-Jahren noch ca. 10 mg Platin pro cm2 Zellfläche, heute schon teilweise bei nur 0,5 mg/cm2 oder weniger.
 
10
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.
 
11
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.
 
12
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.
 
13
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.
 
14
Unter Cermet wird ein Verbundwerkstoff verstanden, bestehend aus einem keramischen Werkstoff in einer metallischen Matrix.
 
15
DESTA: Demonstration of 1st European SOFC Truck APU.
 
16
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.
 
17
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.
 
Literature
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Metadata
Title
Brennstoffzellen
Authors
David Degler
Udo Schelling
Frank Allmendinger
Copyright Year
2022
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-34831-1_9