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Brennstoffzellen

So funktionieren Brennstoffzellen

 

Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff zusammen mit (Luft-)Sauerstoff in Strom, Wärme und Wasser um.

Sie können je nach Brennstoffzellentyp entweder mit Wasserstoff oder mit kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen wie Methanol, Erdgas, Benzin oder Diesel betrieben werden.

Die Rolle von Brennstoffzellen für das Energiesystem

Brennstoffzellen können die Effizienz des Energiesystems deutlich steigern und zu den Emissionsreduktionszielen beitragen. Sie bieten emissionsfreie, individuelle und öffentliche Mobilität mit ähnlichen Möglichkeiten wie konventionelle Antriebe.

Pluspunkte für Brennstoffzellen

+    Brennstoffzellen erreichen bei besonders niedrigen Schadstoffemissionen besonders hohe elektrische Wirkungsgrade und einen hohen Gesamtnutzungsgrad bei gleichzeitiger Wärmenutzung.
+    Sie sind sowohl für die dezentrale Strom-Wärme­ Versorgung als auch für den Antrieb von Elektrofahr-zeugen geeignet. Hier sind erhebliche Brennstoffeinsparungen und Leistungserhöhungen möglich.
+    Schon der Brennstoffzellenbetrieb auf Basis fossiler Energiequellen bringt eine erhebliche CO2-Einsparung und damit eine Entlastung des Klimasystems. In Verbindung mit erneuerbaren Brennstoffen ist eine CO2-neutrale Stromerzeugung möglich.

Potenziale von Brennstoffzellen

  • Bis 2050 wird die Mobilität mit Brennstoffzellen einen signifikanten Anteil erreicht haben und spürbar zur Reduktion der Verkehrsemissionen beitragen.
  • Bereits jetzt halten Brennstoffzellen Einzug in die Hausenergieversorgung. Durch ihren hohen Gesamtwirkungsgrad dank Kraft-Wärme-Kopplung werden sie vor allem im Gebäudebestand dazu beitragen, die Emissionen zu senken. Allein in Japan wurden mehr als 120.000 Hausenergiesysteme verkauft, womit dort die Schwelle zur Kommerzialisierung schon geschafft wurde.
  • Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) hat für kleine Stromversorgungen bereits die Schwelle zur Kommerzialisierung überschritten. Weit mehr als 33.000 Systeme haben als netzunabhängige Stromversorgung z. B. für Wohnmobile und Yachten den Einzug in den Alltag gefunden.
  • Aus den Feldversuchen resultieren viele Erkenntnisse über den Alltagsbetrieb, die in die Entwicklung der Produkte der nächsten Generation einfließen. Hinzu kommt die Entwicklung kostengünstiger Lösungen, sowohl bei den Kernkomponenten (Membran, Katalysatoren, Bipolarplatten) als auch bei den peripheren Komponenten (Pumpen, Ventile, Sensoren).

Forschungs- und Entwicklungsbedarf für Brennstoffzellen

Zur Begleitung der Markteinführung von Brennstoffzellen und der Entwicklung der nächsten Produkt­ generation sind weitere, umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen erforderlich.

  • kompakte Niedertemperatur-Brennstoffzellen ­(Polymer Elektrolyte Fuel Cells = PEFC)
  • Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) und Molten ­Carbonate Fuel Cells (MCFC) für unterschiedliche Brennstoffe
  • Direkt-Kohlenstoff-Brennstoffzelle, die reines CO2 als Verbrennungsprodukt liefert
  • „reversible” Brennstoffzellen/Elektrolyseur-Systeme
  • biologische Brennstoffzellen, insbesondere mikrobielle Brennstoffzellen
  • Kostenreduktion durch neue Werkstoffe, Katalysatoren und Membranen sowie durch neue serientauglicher Fertigungsprozesse
  • leistungsfähigere und genauere, technisch-mathematische Modelle, die skalenübergreifend sind und durch Beschreibung thermodynamischer, elektro-chemischer sowie Massentransport-Phänomene (Stoff- und Wärmetransport, Stromübergänge sowie Zweiphasenströmungen) zur Designoptimierung auf Zell- und Stack-Ebene und zur Prädiktion von Leistungsfähigkeit und Dauerhaltbarkeit dienen
  • Steigerung von Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Wirkungsgrad der Systeme
  • Verlängerung der Lebensdauer von Brennstoffzellen durch Aufklärung der Degradationsmechanismen und Alterungseffekte mittels verbesserter Zeitraffertests (AST: Accelerated Stress Tests) in Abhängigkeit neuer Materialien, Betriebsstrategien und Kontrollsysteme
  • innovativen Diagnose- und Untersuchungsmethoden mit Reparaturstrategien für Brennstoffzellen
  • neue, korrosionsbeständige Katalysatoren und Elektrodenstrukturen­ für die PEFC und reformatverträgliche Katalysatoren und Elektrodenstrukturen für die HT-PEFC
  • Fertigungstechnologien für PEFC-Komponenten und Stacks
  • kostengünstige Reformierungstechniken (z. B. von Erdgas, Methanol, Diesel)
  • Brennstoffzellen-Systemtechnik; insbesondere Stromrichtertechnik, Fernzustandsdiagnose und Fehlerprognose sowie optimierte Netzintegration
  • Regelungsstrategien für Brennstoffzellen in Hybridsystemen
  • Pilotanlagen mit Mittel- und Hochtemperatur-Brennstoffzellen (MCFC, SOFC) in Kraft-Wärme-Kopplung zur Erforschung des technischen Verhaltens dieser Systeme
  • innovative Systeme wie z. B. Hybridkraftwerke mit Kopplung von Mikrogasturbine und Brennstoffzelle
  • multifunktionale Brennstoffzellensysteme zur Brandbekämpfung­ und Wassergewinnung für die zivile Luftfahrt

Materialien zum Thema Brennstoffzellen

Hier sehen Sie einzelne Artikel zum Thema "Brennstoffzellen" aus unseren Forschungspublikationen als PDF-Dokumente, geordnet nach dem Veröffentlichungsdatum.

Eine komplette Übersicht über alle FVEE-Publikationen finden Sie im Publikationsbereich.

Artikel aus den Programmheften:

Artikel aus den Themenheften:

Artikel aus den Workshopbänden:

Artikel aus Weiteren Publikationen:

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