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Brennstoffzellentechnik - Grundlagen [Innovationsprojekt]

Aktualisiert: 19. März

Nachhaltigkeit gewinnt sowohl gesellschaftlich als auch wirtschaftlich zunehmend an Bedeutung. Zukünftig werden ressourcenschonende und schadstoffarme Technologien konventionelle Technologien ablösen. Diese Entwicklung zeigt sich auch im mobilen Sektor. Alternative Antriebskonzepte gewinnen gegenüber Otto- und Dieselmotoren an Bedeutung und zeigen eine positive Marktanteilentwicklung. Derzeit stehen im Wesentlichen zwei alternative Antriebskonzepte zur Verfügung: Batterie- und Brennstoffzellenantriebe. Beide setzten auf einen Elektromotor zur Fahrzeugbewegung. Der zentrale Unterschied liegt jedoch in der Art der Energiezuführung. Während Batteriefahrzeugen über externe Ladesäulen mit Strom versorgt werden, erfolgt die Energiezufuhr bei Brennstoffzellenfahrzeugen ähnlich dem konventionellen Tankvorgang durch die Zufuhr von chemischer Energie in Form von Wasserstoff. Die Brennstoffzelle wandelt diese onboard in elektrische Energie um, die dem Elektromotor zur Verfügung gestellt werden kann.

In Feldern, in denen wenig Energie unter hohem Leistungsbedarf benötigt wird, ist nach aktuellem Stand der Batterieantrieb die beste alternative Antriebsform. Dieser vereint höchste Wirkungsgrade mit niedrigen Betriebskosten. Für den Einsatz in privaten PKWs, Bussen und leichteren Nutzfahrzeugen hat der Batterieantrieb bereits eine hohe Marktreife erreicht und gilt als zukunftsfähigste Technologie. Im Bereich schwerer Nutzfahrzeuge wird jedoch viel Energie über lange Zeiträume benötigt. Hohe Reichweiten und kurze Standzeiten zur Energiezuvor sind hier besonders relevant. In diesem Anwendungsfeld könnte sich der Brennstoffzellenantrieb langfristig als vorherrschende Technologie etablieren, da er konventionelle Reichweiten sowie kurze Betankungszeiten und eine hohe Dauerleistung bietet. Konkrete Anwendungsfälle sind beispielsweise der Antrieb von LKW oder Schiffen sowie militärische Anwendung oder Nischenanwendungen im Nutzfahrzeugsektor (z.B.: Gabelstapler, Zugstrecken ohne Oberleitung). Auf dem Weg zur Marktreife beteiligter Komponenten plant die NEXT zukünftig Industriepartner auch im Bereich Brennstoffzellenantriebe zu unterstützen. Daher wurde im Oktober 2023 das Innovationsprojekt „Testverfahren für Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb“ gestartet.


Generiert via Microsoft Co-Pilot

Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden und dem dazwischenliegenden Elektrolyten. Im Betrieb wird an der Anode Wasserstoff zugeführt und durch einen Katalysator in Wasserstoff-Ionen aufgespalten. Dabei werden Elektronen freigesetzt. Die als Elektrolyt verwendete Nafium-Membran ist ionendurchlässig und undurchlässig für Elektronen. Die Wasserstoff-Ionen wandern durch den ionendurchlässigen Elektrolyten zur Kathode und oxidieren mit dem Sauerstoff aus der dort zugeführten Umgebungsluft zu Wasser. Dazu werden die Elektroden benötigt, die zuvor bei der Spaltung des Wasserstoffs freigesetzt wurden. Da diese den als Isolator wirkenden Elektrolyten nicht durchdringen können, bewegen sie sich durch einen elektrischen Leiter – elektrischer Strom fließt. Dieser kann durch das Schalten eines Verbrauchers zwischen Anode und Kathode genutzt werden. Der beschriebene Prozess läuft kontinuierlich ab, solange an den Elektroden ausreichend Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff zur Verfügung gestellt wird.


nach: A.L.Dicks "Fuel Cell Systems Explained"

An einer einzelnen Zelle liegt lediglich eine Spannung von ca. 1 V an, was für reale Anwendungen nicht ausreichend ist. Zur Erzeugung der erforderlichen Spannungen werden daher eine Vielzahl an Zellen in Reihe geschaltet. Dafür wird ein Stapel aus den Einzelzellen, genannt Stack, aufgebaut. Der Aufbau eines solchen Stacks sowie Funktionen und Anforderungen einzelner Komponenten werden in einem zukünftigen Blogeintrag behandelt.

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