Technologie | udomi | competence in fuel cell systems

Technologie

Wie funktioniert die Brennstoffzelle (engl. fuel cell)?

Funktionsprinzip der PEM Brennstoffzelle (Beispiel PEM Proton Exchange Membrane) Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) reagieren in einer „kalten Verbrennung“ zu Wasser (H20) unter Abgabe von elektrischem Strom und Wärme. Der Gesamtwirkungsgrad liegt bei > 60%, die Reaktionsenergie der Brennstoffzelle wandelt sich sowohl direkt in elektrischen Strom als auch in Wärmeenergie. Zum Vergleich, der Wirkungsgrad eines optimierten Dieselmotors liegt bei ca. 35%.

Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle ist eine Umkehrung der Elektrolysereaktion in der Wasser durch elektrischen Strom in die Bestandteile Wasserstoff H2 und Sauerstoff O2 aufgespalten wird. Folgende Reaktionen laufen dabei an Anode und Kathode ab.

Anode (Wasserstoffseite)

Der molekulare Wasserstoff H2 wird durch den Katalysator (z.B. Platin) zunächst unter Abgabe von 2 Elektronen (e-) in 2 positive geladene H+ Ionen aufgespalten.

Summenformel: 2 H2 → 4 H+ + 4 e-

Elektrolyt (Membrane)

Die positiv geladenen H+ Ionen wandern durch den Elektrolyten, in unserem Beispiel eine PEM (Proton-Exchange-Membrane) von der Anoden zur Kathodenseite. Der Elektrolyt ist nur protonenleitend und lässt deshalb keine Elektronen passieren.

Kathode (Sauerstoffseite)

Die Reaktion auf der Kathodenseite ist wesentlich komplizierter. Vereinfacht dargestellt reagiert ein Sauerstoffmolekül O2 mit 2 H+ Ionen unter Aufnahme von 2 Elektronen kurzzeitig zu H2O2, welches dann unter weiterer Aufnahme von 2 H+ und 2 Elektronen e- zu 2 Molekülen Wasser umgesetzt wird.

Vereinfachte Summenformel: O2 + 4 H+ + 4 e- → 2 H2O

An der Kathode herrscht also Elektronenmangel und an der Anode Elektronenüberschuss. Verbindet man nun die beiden Elektroden elektrisch, dann fließt ein Elektronenstrom um den Ladungsausgleich herzustellen. Dieser Strom fließt solange die Reaktionsprodukte Wasserstoff und Sauerstoff an Anode und Kathode zugeführt werden. Schaltet man in diesen Stromkreis einen elektrischen Verbraucher so wird Arbeit verrichtet.

Die Leerlaufspannung einer Brennstoffzelle liegt theoretisch bei 1,229 Volt. In der Praxis können bei Betrieb mit reinem Sauerstoff ca. 1,05 V und bei Betrieb mit Luft ca. 0,95 V erreicht werden. Um höhere Spannungen zu realisieren baut man sogenannte Brennstoffzellenstacks in denen mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet werden.

Welche Zellgeometrien gibt es?

Einzeller Bei der Konstruktion von Brennstoffzellen lassen sich unterschiedliche Zellgeometrien unterscheiden:

  • Planare Zelle
  • Rohrzelle
  • Wickelzelle

Die am meisten verwendete Zellgeometrie ist die planare Zelle. Hier sind Anode, Elektrolyt (Membran) und Kathode wie in einem Sandwich übereinander angeordnet.

Brennstoffzellenstack In der planaren Bauweise werden häufig sogenannte Brennstoffzellenstacks hergestellt. Dabei schichtet man einfach mehrere Einzelzellen zu einem Stack zusammen. Ein Vorteil der Stackbauweise besteht darin, dass man somit fast jede beliebige Ausgangsspannungen realisieren kann, denn beim Brennstoffzellenstack addieren sich die Spannungen der Einzelzellen (vgl. elektrische Reihenschaltung Spannungsquellen). Ausserdem ergibt sich eine kompakte Bauform, die sich in vielen Anwendungen platzsparend integrieren lässt.

Rohrzelle Eine weitere Möglichkeit mehrere Einzelzellen zu kombinieren stellt die Streifenzelle dar. Diese eignet sich dann, wenn flache Bauformen mit grosser Fläche von Vorteil sind.

Die Rohrzelle hat die Form einer Röhre. Anode, Elektrolyt und Kathode sind in einzelnen Schichten übereinander angeordnet.

Mehrere Brennstoffzellen lassen sich hier in einem Modul zusammenfassen. Auch hier kann durch elektrische Reihenschaltung einzelner Röhren die Ausgangsspannung angepasst werden. Röhrenzellen werden heute z.B. bei der SOFC Technik von Siemens Westinghouse eingesetzt.

Wickelzelle Die Wickelzelle stellt eine weitere interessante Möglichkeit dar, Brennstoffzellen zu realisieren. Im Prinzip ist die Wickelzelle eine lange planare Zelle, die dann einfach aufgewickelt wird. Die Idee zur Entwicklung der Wickelzelle entstand bei der Firma h2-interpower und wurde dort auch in einem Entwicklungsprojekt in die Realität umgesetzt. Die Wickelzelle steht, ähnlich wie die Rohrzelle, noch am Anfang ihrer Entwicklung und verspricht neben einer platzsparenden Geometrie auch niedrigere Herstellungskosten als die planare Zelle.

Welche Brennstoffzellentypen gibt es?

Es gibt heute verschiedene Typen von Brennstoffzellen, die sich nach dem jeweils verwendeten Elektrolyten unterteilen lassen. Folgende Grafik gibt eine Übersicht der verschiedenen Brennstoffzellentypen.

Quelle: Forschungszentrum Jülich

Aus heutiger Sicht scheint sich die PEM Brennstoffzelle für mobile und portable Anwendungen am besten zu eignen.

DaimlerChrysler und Ford setzen auf diese Technologie für Ihre brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeuge.

Auch im Bereich der mobilen Anwendungen wie Stromversorgung für Laptops etc. scheint sich diese Technologie zu etablieren. Die PEM Brennstoffzellen benötigt allerdings sehr reinen Wasserstoff zum Betrieb, da COx die eingesetzten Katalysatoren „vergiftet“ und damit schnell unbrauchbar macht.

Demgegenüber können die Brennstoffzellentypen, die bei höherer Temperatur arbeiten, auch mit einem sogenannten Synthesegas betrieben werden. Das Synthesegas kann zum Beispiel durch Reformierung von Benzin hergestellt werden und hat neben einem hohen H2 Anteil auch COx und NOx Bestandteile. Bei höheren Temperaturen können die Edelmetallkatalysatoren z.B. durch Nickel ersetzt werden, und diese Katalysatoren sind unempfindlich gegen die im Synthesegas enthaltenen COx und NOx Anteile. Ausserdem wird bei den höheren Temperaturen ein grossteil des problematischeren CO in CO2 oxidiert. Im Bereich der kleinen stationären Systeme wird neben der PEM auch die SOFC Brennstoffzellen eingesetzt. Bei Großkraftwerken scheinen sich die SOFC und die MCFC Brennstoffzelle durchzusetzen. In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Hersteller für die verschiedenen Brennstoffzellentypen aufgelistet.

Brennstoffzellentyp Herstellerfirmen
AFC Astris, UTC, Zetek
PEM Ballard, Plugpower, H-Power, UTC, Nuvera, Siemens, h2-interpower
PAFC UTC
MCFC Fuel Cell Energy (FCE), MTU
SOFC Sulzer Hexis, Siemens Westinghouse, Global Thermolectric
DMFC Ballard, Manhattan Scientific, Medis, MTI Micro FuelCells, Smartfuelcell

 

Energiespeicherung

Die Energiespeicherung stellt heute das größte Problem bei Einführung der Brennstoffzellentechnologie dar. Während wir für fossile Brennstoffe wie Benzin, Heizöl oder Diesel eine funktionierende Infrastruktur haben muss diese insbesondere für Wassestoff noch aufgebaut werden. Erschwerend kommt hinzu, dass Wasserstoff ein leicht flüchtiges Gas ist, welches bei bestimmten Gas-Luftgemischen leicht entzündlich ist. Folgende Speichermöglichkeiten für Wasserstoff werden heute verwendet:

  • Metallhydridspeicher
  • Hochdruckwasserstoff (CGH2)
  • Flüssigwasserstoff (LH2)

Metallhydrid kann unter bestimmten Bedingungen in den Zwischengitterplätzen des Kristallgefüges Wasserstoffmoleküle binden. Dieser Vorgang ist beliebig oft reversibel und ist mit Aufnahme bzw. Abgabe von Wärme verbunden. Beim Aufladen des Metallhydridspeichers wird er heiss, beim Entladen kühlt er ab. Metallhydridspeicher sind in der Lage das ca. 500-fache ihres Eigenvolumens an Wasserstoff bei nahezu Umgebungsdruck zu speichern.

Die Verwendung von druckbeständigen Stahlflaschen zur Speicherung von Wasserstoff wird schon lange praktiziert. Neueste Entwicklungen nutzen Drücke von bis zu 700bar (70MPa) um den Wasserstoff möglichst platzsparend zu speichern.

Flüssigwasserstoff stellt eine sehr effiziente Möglichkeit dar Wasserstoff zu speichern, so kommt LH2 am nächsten an die volumenbezogene Energiedichte von Benzin oder Diesel heran (ca. 25% der volumenbezogenen Energiedichte von Benzin). Weiterer Vorteil ist die kurze Tankzeit von LH2 (ca. 2 Minuten für 100l) gegenüber Druckgasspeichern. Nachteilig wirken sich heute noch der hohe technische und energetische Aufwand zur Verflüssigung von Wasserstoff sowie die technisch aufwendigen Tanks aus.

Verwendet man Methanol als Alternative zu Wasserstoff lassen sich die Speicherprobleme deutlich reduzieren. Die Energiedichte hat für diesen Brennstoff den Wert 5.6kWh/kg oder 4.4kWh/l und liegt damit bei etwa der Hälfte derjenigen des Benzins. Methanol ist bis zu einer Temperatur von 65°C flüssig, kann also - ähnlich wie Benzin - in einfachen Tanks gelagert werden.

Energiedichte

Zum besseren Vergleich der Konkurrenztechnologien Brennstoffzelle, Metall-Luft-Zelle, Batterietechnologie und Verbrennungsmotor wird die spezifische Energiedichte herangezogen. Sie gibt an welche Energie bezogen auf Masse oder Volumen ein bestimmer Energieträger besitzt.

Energieträger Energiedichte in Wh/kg Energiedichte in Wh/l
Mn-C (Batterie) 25-70 120-190
Alk-Mn (Batterie) 80-120 200-300
Pb (Akku) 20-45 20-100
Ni-Cd (Akku) 40-55 30-80
Ni-MH (Akku) 60-120 -
Li-Ion (Akku) 110-160 -
Zink-Luft Zelle 300 -
H2 (flüssig) 33.300 2.360
H2 (30Mpa) 33.300 750
H2 (Metallhydrid) 580 3.180
Methanol (flüssig) 5.600 4.420
Benzin (flüssig) 12.700 8.760
Diesel (flüssig) 11.600 9.700

Aus diesen Daten lässt sich ablesen, dass der verwendete Energieträger neben dem Wirkungsgrad die wesentliche Grösse ist wenn es um eine möglichst hohe Energiekapazität geht. Als Alternative zu heutigen Batterietechnologien bietet sich neben der Brennstoffzelle mit Wasserstoff oder Methanol auch die Metall-Luft-Zelle an.

Direkt Methanol Brennstoffzelle (Direct Methanol Fuel Cell - DMFC)

Die Direkt Methanol Brennstoffzelle ist eine modifizierte PEM Brennstoffzelle, die anstelle von Wasserstoff, Methanol (CH3OH) als Brennstoff verwendet. Das Methanol wird dabei ohne vorgelagerte Konversationsreaktion direkt in der DMFC in elektrischen Strom ungewandelt.

Folgende Grafik verdeutlicht den elektrochemischen Vorgang in einer DMFC. Am Katalysator der Anodenseite wird Methanol mit Wasser oxidiert. Dabei entsteht Kohlendioxid das nicht benötigt wird und aus der Zelle geführt wird. Bei dieser Reaktion entstehenen freie Elektronen e- und die Wasserstoffionen H+, die dann wie bei der Wasserstoff Brennstoffzelle über den äußeren Nutzstromkreis bzw. die PEM zur Kathode transportiert werden. Auf der Kathodenseite wird aus den Protonen und Elektronen mit dem Sauerstoff der Luft Wasser gebildet.

Direktmethanolzelle Funktionsprinzip Quelle: Smartfuelcell GmbH www.smartfuelcell.comBei der Direkt Methanol Brennstoffzelle wird ähnlich wie bei der PEM Brennstoffzelle eine protonenleitende Membran eingesetzt. Die protonenleitende Membran ist das Herzstück in der Direkt Methanol Brennstoffzelle und eines der Hauptprobleme, weil Methanol nicht in ausreichendem Maße zurückgehalten wird. Deshalb wird an neuen Materialien geforscht um dieser Technologie zum Durchbruch zu verhelfen. (Quelle: http://people.freenet.de/Dyck/DMFC.html)

Der große Vorteil der DMFC liegt darin, dass anstelle des problematischen gasförmigen Wasserstoffs flüssiges Methanol verwendet werden kann. Insbesondere bei mobilen Anwendungen wie im Automobilbereich stellt die fehlende Wasserstoffinfrastruktur nach wie vor das größte Problem für eine flächendeckende Einführung solcher Fahrzeuge dar. Die Verwendung von flüssigem Methanol würde dieses Problem drastisch eduzieren, da es vergleichbar wie Benzin oder Diesel an Tankstellen getankt werden könnte.

Die Nachteile der DMFC liegen heute noch in der vergleichsweise geringen Stromdichte.

Metall-Luft-Zelle (Metal-Air-Cell)

Neben den Brennstoffzellen soll an dieser Stelle auch eine Batterietechnologie erwähnt werden, die häufig im Umfeld der Brennstoffzelle genannt wird - die Metall-Luft-Zelle. Bei der Metall-Luft-Zelle handelt es sich um eine sogenannte Primärbatterie, die eine hohe Energiedichte ermöglicht. Im folgenden eine Übersicht der Metall-Luft-Zellen:

  • Zink-Luft-Zelle
  • Aluminium-Luft-Zelle
  • Magnesium-Luft-Zelle

Funktionsweise der Metall-Luft-Zelle am Beispiel der Zink-Luft-Zelle

Reaktion an der Anode:

Zn + 2 OH → ZnO + H2O + 2e

Reaktion an der Kathode:

½O2 + H2O + 2e → 2 OH-

Gesamtreaktion:

2Zn + O2 → 2ZnO

Der Aufbau einer Zink-Luft-Zelle besteht aus einer Anode aus Zink, die in einen Elektrolyten (Kalilauge) taucht. Die Kathode bildet meist ein luftdurchlässiger und elektisch leitender Kohlenstofflayer, der dafür sorgt, dass Luftsauerstoff mit dem Elektrolyten in Kontakt kommt. Dadurch wird das metallische Zink zu ZnO oxidiert und eine elektrische Spannung von ca. 1,4V stellt sich zwischen Anode und Kathode ein. Das System arbeitet solange bis die Zinkelektrode komplett aufgebraucht ist. Bei Verwendung von Zink ist es möglich das ZnO elektrolytisch wieder in Zn und O2 aufzuspalten und damit einen geschlossenen Stoffkreislauf zu realisieren (siehe Electric Fuel Corp. www.electric-fuel.com)

Quelle: www.electric-fuel.comDie Energie der Metall-Luft-Zellen steckt in den verwendeten Metallen Zink, Aluminium und Magnesium, die mit ihren hohen Energiedichten sehr effiziente Energiespeicher darstellen. Insbesondere Zink ist sehr günstig und damit sehr gut geeignet kostengünstige Batteriesysteme herzustellen. Der Vergleich mit den Brennstoffzellen rührt daher, dass mehrere Hersteller Systeme entwickelt haben, bei denen die verbrauchten Metallelektroden ausgetauscht und durch neue ersetzt werden. Dadurch entsteht ein System ähnlich wie bei der Brennstoffzelle bei der Strom produziert wird solange Wasserstoff angeboten wird. Damit solche Systeme gut funktionieren muss der Elektrolyt zirkulieren und die entstehenden Metalloxide müssen aus dem Elektrolyt herausgefiltert werden.

Der Anwendungsbereich von Metall-Luft-Zellen reicht von Mobiltelefonen bis hin zu Antrieben von PKW's und Bussen. Hersteller dieser Technologie sind:

  • Electric Fuel
  • Metallic Power
  • Aluminium Power
  • MagPower
  • Greenvolt

Doppelschichtkondensatoren

Doppelschichtkondensatoren (DSK, Superkondensatoren, Supercaps, Ultracaps, etc.) sind effiziente Energiespeicher, die elektrische Energie schnell speichern und wieder abgeben können. Sie eignen sich deshalb für die kurzfristige Überbrückung von Stromausfällen (< 1 Min) und das Abdecken von Lastspitzen.

Der Doppelschichtkondensator nutzt den von Helmholtz bereits 1856 beschriebenen Effekt der Ausbildung einer Doppelschicht beim Anlegen einer Spannung an in eine leitende Flüssigkeit getauchten Elektroden. Daher werden diese Kondensatoren auch als elektrochemische Doppelschichtkondensatoren bezeichnet. Im ungeladenen Zustand verteilen sich die geladenen Teilchen (Ionen) gleichmäßig in der leitenden Flüssigkeit, dem Elektrolyten, der sich zwischen den Elektroden befindet. Beim Anlegen einer Spannung wandern die negativen Ionen im Elektrolyten an die positive Elektrode und entsprechend die positiven Ionen an die negative Elektrode.

Funktionsprinzip Doppelschichtkondensator

DoppelschichtkondensatorprinzipEs bildet sich an beiden Elektroden eine Doppelschicht mit spiegelbildlicher Ladungsverteilung aus. Die nutzbare Spannung wird durch die Dissoziationsspannung begrenzt, bei der Ladungen von den Elektroden zu den angelagerten Ionen übertreten können. Oberhalb dieser Spannung werden dann chemische Reaktionen gestartet, die zu Gasbildung führen und damit den Kondensator zerstören. Bei wässerigen Elektrolyten liegt diese Spannungsgrenze bei 1,2 V und bei nicht wässerigen Elektrolyten auf der Basis organischer Lösungsmittel bei 2 bis 3 V. Bei diesem Kondensatortyp beträgt die Dielektrikumsdicke nur einige Nanometer und wird weitestgehend vom Ionenradius bestimmt. Als Folge können sehr hohe Kapazitätsdichten erzielt werden; allerdings nur bei relativ niedrigen Spannungen.

Leistungsdichte und Energiedichte (Vergleich Batterie und Ultracap)Im Vergleich zu Akkumulatoren bieten Doppelschichtkondensatoren einen wesentlich geringeren Innenwiderstand (Ri ca. 1 mΩ) und damit sehr hohe Entladeströme (Leistungsdichte). Die Energiedichte der Doppelschichtkondensatoren liegt deutlich unter der von Batterien und Akkumulatoren. Das Laden der Doppelschichtkondensatoren ist genauso schnell wie das Entladen in nur wenigen Sekunden möglich, auch eine aufwendige Ladeüberwachung wie bei Akkumulatoren ist nicht notwendig. Die Doppelschichtkondensatoren erlauben heute bereits bis zu 500.000 Ladezyklen und eine Lebensdauer von 20 Jahren.

Lade-, Entladekurve und  Ri (Vergleich Batterie und Ultracap)Anwendungen

Ultracaps eignen sich für zwei Typen von Anwendungen. Zum einen für Backup Power Anwendungen wo es um die Überbrückung kurzer Stromunterbrechnungen (Sekunden) bzw. die Kompensation von Spannungseinbrüchen geht. Anwendungen in diesem Bereich sind USV (Unterbrechnungsfreie Stromversorgung) etc. Der zweite Anwendungsbreich zielt auf das Abdecken von Lastspitzen (Peak Power). Überall dort wo kurze Leistungsspitzen abzudecken sind bieten die Ultracaps vielfältige Anwendungen. Ein Beispiel ist der Startergenerator im Fahrzeug, hier kann durch die Kombination von Akkumulator und Ultracap das Startverhalten insbesondere bei tiefen Temperaturen deutlich verbessert werden.

 

News

16.02.2017

Firmware 17.10 verfügbar für EFOY PRO 2. Generation

Für die EFOY PRO 800/2400 und die EFOY PRO 12000 sind neue Firmwareupdates verfügbar.

  weiterlesen

12.12.2016

Frohe Weihnachten

Wir wünschen unseren Kunden ein fohes Weihnachtsfest und alles Gute fürs neue Jahr

  weiterlesen

08.09.2016

MT 60 Methanoltank

MT 60 Methanoltank mit 60 Liter Methanol. Lieferbar voraussichtlich ab Ende Q4/2016

  weiterlesen

 

Newsletter abonnieren


 

Kontakt

udomi GmbH
competence in fuel cell systems
Dipl. Ing. (FH) Udo Michelfelder
Hochfeldstraße 8
74632 Neuenstein
Germany

+49 (79 42) 9 42 08 91
+49 (79 42) 9 42 08 98
+49 (163) 1 63 85 50

info@udomi.de

 

Anfahrt

  Routenplanung mit Google Maps