Brennstoffzellenantriebe für US Militär Hybridauto
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Brennstoffzellenantriebe für US Militär Hybridauto PKW mit Wasserstoffantrieb wurden von führenden Fahrzeugherstellern bereits in den 80iger Jahren entwickelt. Die anfänglichen Schwierigkeiten hinsichtlich der Wasserstoff – Tankgröße, dessen Sicherheit bei Auffahrunfällen ,die Diffundierungsverluste und die hohen Temperaturen an der Einspritzdüse konnten im Laufe der Folgejahre gut gelöst werden. Dennoch fahren bis heute noch keine Serienfahrzeuge auf unseren Straßen. Sicherheitsrelevante Überlegungen sind hierfür nicht der Grund!! Seit Anfang der 90 iger Jahre ist das Hybridfahrzeug (Brennstoffzellen kombiniert mit Alternativenergie wie Solar, Raps, etc.) ein aktuelles Thema. Durch die Reaktion von Wasser – u. Sauerstoff kommt es bei einem geeigneten Elektrolyt zu einem Ionenaustausch, welcher in der Lage ist Spannung zu erzeugen. Der Energieverbrauch ist gering. Der erforderliche Wasserstoff könnte kostengünstig produziert werden. Sauerstoff steht bislang, trotz Umweltverschmutzung noch ausreichend zur Verfügung. Die Brennstoffzelle arbeitet verschleißfrei ohne schädliche Rückstände und kann im Auto, wie auch im Haus eingesetzt werden. So könnte theoretisch ein mit Brennstoffzellen ausgerüsteter PKW an das Haus – Versorgungsnetz angeschlossen werden und mit seiner Brennstoffzelle die Geräte im Haus betreiben. Natürlich ist hierfür ein phasengleicher Sinus von 230V AC erforderlich, welcher natürlich mit einem Wechselrichter erzeugt wird. Dieser Wechselrichter ist im Fahrzeug untergebracht. Damit kann jeder Autofahrer die üblichen 220VAC – Geräte an seinem Fahrzeug anstecken und betreiben. Bajog electronic baut hierfür die Sinusfilter, damit ein sauberer Sinus nach dem Wechselrichter die einwandfreie Nutzung von Geräten und Anlagen im und am Auto garantieren. Die ersten Jeeps für das US Militär wurden bereits damit ausgerüstet. Zivilfahrzeuge folgen derzeit.
Die Brennstoffzelle Bericht aus dem Internet Aus Wasserstoff und Sauerstoff wird elektrischer Strom Bereits im Jahre 1839 entdeckte der Brite William Grove das Prinzip der Wasserstoff gespeisten Stromquelle. Seine Technologie geriet aufgrund der technischen Probleme, vor allem der mangelnden Stabilität der verwendeten Werkstoffe sowie der Entwicklung von Drehstrommotoren durch Werner von Siemens, in Vergessenheit. Erst in den 50’iger Jahren wurden sie in Marktnischen verwendet, vor allem für die Stromgewinnung in Weltraumfahrzeugen und U-Boot-Motoren. Die ersten mit Brennstoffzellen ausgerüsteten Autos wurden Ende der 60iger Jahre gebaut, der Durchbruch gelang allerdings erst mit der Entwicklung der PEM (Membran-) Brennstoffzelle. Funktion In der Brennstoffzelle läuft die Knallgasreaktion (2 H2 + O2 Æ 2 H2O) gebändigt ab, das heißt es kommt zu einer stillen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff bei der Strom gewonnen werden kann. Schema: Die Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden und dem Elektrolyten. Die Anode wird mit dem Brennstoff (z.B. Wasserstoff) und die Kathode mit dem Oxidationsmittel (Sauerstoff) versorgt, der Elektrolyt verbindet die beiden Elektroden miteinander. Die Elektroden bestehen aus Kohlenstoffmatten, die mit Platin bedampft sind. An der
Anode werden die Wasserstoffmoleküle mit Hilfe des Platins, daß als Katalysator
dient, unter Abgabe ihres einzigen Elektrons zu positiv geladenen Protonen oxidiert.
Die Protonen diffundieren durch die protonenleitende Membran (ca. 1/10 mm dick)
zur Kathode. An der Kathode reagieren die Protonen mit dem Sauerstoff und den aus
dem Leiter zugeführten Elektronen zu Wasser (Reduktion). Der Strom fließt im
äußeren Stromkreis von der Anode (Minuspol, Elektronenüberschuß) zur Kathode
(Pluspol, Elektronenangel) und kann genutzt werden.
Der wesentliche unterschied zu Batterie oder Akku besteht darin, daß die Elektroden
selbst nicht chemisch umgewandelt werden.
Übersicht der Reaktionen:
Anode: 2 H2 Æ 4 H+ + 4e-
(H+ geht durch die Membran, e- durch den äußeren Stromkreis)
Kathode: O2 + 4 H+ + 4 e- Æ 2 H2O
Gesamtreaktion: 2 H2 + O2 Æ 2 H2O
Die theoretisch mögliche Spannung einer Zelle liegt bei 1,23V (ergibt sich aus den
thermodynamischen Daten der Knallgasreaktion; DG = -237 kJ/mol bei 25 °C). Im
Betrieb kommt es zu Verlusten (Widerstand, ungenügende Gasdiffusion,
Überspannungen durch Reaktionshemmungen), so daß in der Regel nur etwa 0,6 bis
0,9V erreicht werden. Will man technisch nutzbare Spannungen erzielen muß man
mehrere Zellen in Reihe schalten. Aus Einzelzellen werden sogenannte Zellenstapel
(Stacks) sandwichartig aufgebaut. Dadurch können auch größere Spannungen (über
200V) erzeugt werden. Die Stromstärke ist proportional zur Fläche der Elektroden
und erreicht je nach Zellentyp und Betriebsbedingungen etwa 0,1 bis 1 A/cm².
Brennstoffzellen werden in Niedertemperatur- und Hochtemperatur-Brennstoffzellen
klassifiziert.
Da das Tanken und der Transport von reinem Wasserstoff recht kompliziert ist und
es dafür (z.B. für Autos) keine Infrastruktur gibt, wurden Refomer entwickelt, die aus -
bei Raumtemperatur flüssigem und somit einfach tankbarem Methanol (CH3OH) -
chemisch Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid herstellen. Dabei entsteht weniger
Kohlenstoffdioxid als z.B. bei der Verbrennung von Benzin, und sonst keine weiteren
giftige Stoffe. Der Wasserstoff betreibt die Brennstoffzelle. Nach einer Studie des
Jülicher Forschungszentrums verursachen Brennstoffzellen mit Methanol im
Vergleich zu fabrikneuen Autos pro Kilometer 60% weniger Kohlendioxid, 94%
weniger Stickoxide und 98% weniger Kohlenmonoxid und flüchtige organische
Verbindungen. Und trotz der Wasserstofferzeugung aus Methanol "verbraucht" ein
solches Fahrzeug pro Kilometer nur halb so viel Energie. Eine Brennstoffzelle kann
aber auch direkt mit Methanol betrieben werden, da auch Methanol unter
Energieabgabe oxidiert werden kann.Übersicht der verschiedenen Brennstoffzellen
Brennstoffzelle Elektrolyt Anodengase Temperatur Leistung Anwendung
AFC** (Alkaline ca. 10
Fuel Cell, kW Raumfahrt
Kalilauge Wasserstoff bis 80°C
Alkalische ca. 100 U-Boote
Brennstoffzelle) kW
0,03 bis
PEMFC 1 kW
(Protone Wasserstoff 20 bis Stromversorgung
Exchange Methanol 250 kW Pkw/Bus
Polymermembran bis 120°C
Membrane Fuel Methanol* 5 bis 10 Hausversorgung
Cell, Membran- Methan* kW Blockheizkraftwerke
brennstoffzelle) 20 bis
250 kW
PAFC 50 bis
(Phosphoric 200 kW
Wasserstoff Blockheizkraftwerke
Acid Fuel Cell, Phosphorsäure 200°C 50 bis
Methan* Kleinkraftwerke
Phosphorsaure 11000
Brennstoffzelle) kW
MCFC**
(Molten
Wasserstoff
Carbonate Fuel Alkalikarbonat- 600 bis 250 bis Blockheizkraftwerke
Methan
Cell, Carbonat- schmelzen 700°C 2000 kW Kleinkraftwerke
Kohlegas
schmelzen-
Brennstoffzelle)
SOFC** (Solid 1 bis
Wasserstoff
Oxid Fuel Cell, keramischer 800 bis 5kW Hausversorgung
Methan
Oxidkeramische Festelektrolyt 1000°C 5 bis 100 Kleinkraftwerke
Kohlegas
Brennstoffzelle) kW
* Wasserstoff wird über Reformer erzeugt
** In der Entwicklung
WirtschaftlichkeitIn den heutigen Kohlekraftwerken wird der ursprüngliche Energieträger erst verbrannt, um dann mit der Wärme Wasserdampf zu erzeugen, der eine Turbine antreibt. Die Drehbewegung wird nun mit Hilfe eines Generators in elektrischen Strom umgewandelt. Die Energie wird also über viele Umwege, bei denen auch recht große Verluste entstehen, in Elektrischen Strom umgewandelt, so das diese Art der Stromgewinnung nur einen Wirkungsgrad von maximal 35% hat (Rekord liegt bei ca. 58%). Brennstoffzellen haben dagegen einen Wirkungsgrad von teilweise über 70%. Kommerziell werden bisher nur phosphorsaure Brennstoffzellen (PAFC) für Blockheizkraftwerke eingesetzt. Sie werden mit Erdgas (Methan, CH4) betrieben, das in einem Reformer in Wasserstoff und andere Bestandteile zerlegt wird. Der Wasserstoff versorgt dann die Brennstoffzellen. Diese Kraftwerke haben einen elektrischen Wirkungsgrad von 40% und einen thermischen von 45%, so daß die verfügbare Energie zu 85% ausgenutzt wird. Unter Teillast verändert sich der elektrische Wirkungsgrad im Vergleich zu konventionellen Kraftwerken kaum (bei konventionellen Kraftwerken sinkt der Wirkungsgrad unter Teillast). Methanol hat zwar nur die halbe Energiedichte von Benzin, doch durch den erheblich höheren Wirkungsgrad der Brennstoffzelle könnte ein Auto bei gleicher Tankgröße mit dieser Technologie genauso weit fahren wie ein heutiges Auto. Entwicklung bei Daimler Crysler 1994 Necar I: 21 kg/kW ; Leistung 50 kW 1996 Necar II: 6 kg/kW ; Leistung 50 kW 1997 Nebus: 5,6 kg/kW ; Leistung 250 kW Necar = New electrical car Nebus = New electrical bus Mit dem Nebus wurde ein Schritt über den Forschungsstatus getan: Der Nebus ist in Mannheim als öffentliches Verkehrsmittel im Einsatz. Die sieben Tanks auf seinem Dach, die unter einem Druck von 300 bar stehen und insgesamt 21 kg Wasserstoff
fassen, garantieren dem Bus eine Reichweite von 250 km. Dies reicht für einen Tageszyklus
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