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Wie wird Wasserstoff hergestellt? Wie wird Wasserstoff gespeichert? Welche Verwendungsmöglichkeiten gibt es? Was sind seine energetischen Eigenschaften? Was sind die Vorteile von Wasserstoff-Elektrofahrzeugen? All diese Fragen und noch mehr beantworten wir im Erklärvideo zum Thema Brennstoffzellen und Wasserstoff!

© Hytep CZ

 

Vielleicht fragen Sie sich:

Was ist eigentlich eine Brennstoffzelle?
Wie funktioniert sie?
Wie ist sie aufgebaut?

In unserem Wissensbereich haben wir die Grundlagen zur Brennstoffzellentechnologie und spannende Fakten interaktiv zusammengestellt. Viel Spaß beim Erleben!

Die Brennstoffzellentechnologie ist keine Erfindung des 21. Jahrhunderts. Erste Brennstoffzellen sind bereits 1963 an Bord eines Satelliten und für die Gemini- und Apollo Raumkapseln eingesetzt worden. Auch erste Fahrzeugprototypen wurden schon in den 1960er Jahren aufgebaut.

Funktion der PEM-Brennstoffzelle

Wasserstoff und Sauerstoff (aus der Umgebungsluft) reagieren zu Wasser. Die chemische Energie der Reaktanden wird hierbei in nutzbare elektrische Energie und Abwärme gewandelt.

Anwendungsfelder von PEM-Brennstoffzellen

mobil

  • Personenkraftwagen (PKW)
  • Nutzkraftkraftwagen (NKW)
  • Busse
  • Züge
  • Schiffe

portabel

  • Notstromaggregate
  • Schweißgeräte
  • Ladesysteme
  • Energieversorgung von Anlagen und Maschinen

stationär

  • Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)
  • Energie-und Wärme-Systeme für Eigenheime
  • Industrielle Energieversorgung
Die erzeugte Abwärme von Brennstoffzellen wird zum Heizen und Klimatisieren genutzt. Nicht nur in Fahrzeugen ist dies von Vorteil, Brennstoffzellen kommen hierdurch auch zur emissionsfreien Gebäudeenergieversorgung und als BHKW zum Einsatz.

Komponenten und ihre Funktion

  • Protonen leiten
  • Barriere für Elektronen
  • Separierung der Reaktionsseiten
  • Reaktionsprozesse durch Katalysatorschicht begünstigen
  • Aufspaltung Wasserstoff (Anode)
  • Aufspaltung Sauerstoff und Reaktion zu Wasser (Kathode)
  • elektrische Kontaktierung zwischen Membran und Bipolarplatte
  • Reaktanden verteilen (Zu- und Abführung)
  • elektrische Isolation der Reaktionsseiten
  • mechanische Stabilisierung der Polymerelektrolytmembran
  • Dichtheit der Medien untereinander und zur Umgebung gewährleisten
  • elektrische Isolation
  • Medien verteilen
  • Elektronen leiten
  • mechanische Stabilisierung der Einzelzelle
  • vollflächige Kontaktierung zur obersten und untersten Bipolarplatte
  • elektrischer Anschluss (bspw. Kabel)
  • elektrische Isolation zu den Endplatten
  • Druckverteilung
  • Schnittstellenfunktionen
  • homogene Kraftverteilung auf die verspannten Stackkomponenten
  • Kraftaufnahme vom Verspannsystem
  • Schnittstellen für weitere Anschlusskomponenten (bspw. Verrohrung)
  • Gasdichtheit für jeweilige Medien
  • Dichtheit der Medien untereinander und zur Umgebung gewährleisten
  • teilweise elektrische Isolation
  • Vorspannkraft auf Endplatten des Stacks übertragen
  • Stabilität des Stacks erhöhen
  • definierte Vorspannkraft erzeugen
  • hinreichenden Federweg für dynamische Dehnungseffekte gewährleisten
  • Wandlung von chemischer in elektrische Energie
  • Zu- und Abführung sowie Verteilung der Reaktionsmedien
  • integrales Schnittstellenbauteil
  • Einbindung von Sensorik und Ventilen
  • Medienverteilung
  • Fördern des Kühlmittels im Kühlkreislauf
  • notwendigen Vordruck erzeugen
  • Durchfluss gewährleisten
  • Zuführung von Luftsauerstoff in den Stack
  • notwendigen Vordruck erzeugen
  • Durchfluss gewährleisten
  • Absicherung gegen Druckspitzen im Anodenkreislauf
  • öffnet bei definiertem Überdruck und verhindert so Schädigung im Stack
  • Temperatur- und Druckerfassung
  • je nach Systemstruktur meist mehrere Sensoren integriert (für Temperatur- und Druckregelung über Stack)
  • filtert den zugeführten Wasserstoff vor Eintritt in den Brennstoffzellenstack
  • unverbrauchten Wasserstoff rezirkulieren (vom Anodenauslass zum Anodeneinlass)
  • Druckdifferenzen ausgleichen
  • Durchfluss gewährleisten
  • Entfeuchtung des Gasgemisches am Anodenauslass
  • Speicherung und Abführung des ausgetragenen Wassers
  • Verbindung der Systemkomponenten im Anodenkreislauf
  • Dichtheit der medienführenden Systeme
  • Wasserstoffspeicherung (350 / 700 bar)
  • Drucküberwachung
  • Crashsicherheit
  • Überbrückung von Peak Leistungen
  • Speicherung rekuperierter Energie
  • Versorgung Bordnetz
  • elektrische in mechanische Antriebsleistung wandeln
  • motorischer und generatorischer Betrieb
  • Drehzahl - und Drehmomentwandlung
  • Parksperre
  • Leistungsverteilung
  • Steuerung und Vernetzung der Energiesysteme
  • Umsetzung Betriebsstrategie
  • Wandlung von chemischer in elektrische Energie
  • Zu- und Abführung sowie Verteilung und Konditionierung der Reaktionsmedien
  • dynamische Druckregelung
  • Flammrückschlag verhindern
  • Abfuhr Wasserdampf und Flüssigwasser

Wasserstoff

häufigstes Element im Universum, kleinster Atom-Durchmesser, ungiftiges, geruch- und farbloses Gas, geringste Dichte (0,0899 kg/m³), in Reinform nicht entzündbar, Heizwert: 33,33 kWh/kg bzw. 120 MJ/kg

Richtlinie Betankung

Betankungsprozess weltweit genormt durch Richtlinie SAE J 2601.

Wasserstoffqualität an Betankungsstellen genormt nach ISO 14687:2019.

Reichweite und Tankkapazität

1 kg Wasserstoff für 100 km PKW-Reichweite, Tankkapazität eines Brennstoffzellenfahrzeuges: 5-7 kg Wasserstoff, Reichweite beträgt also 500-700 km

Tankzeit

3-5 Min tanken > nahezu 100 % Tankinhalt

Bestandteile eines Brennstoffzellenantriebes

Brennstoffzellenstack

  • Wandlung von chemischer in elektrische Energie
  • Zu- und Abführung sowie Verteilung der Reaktionsmedien

Leistungselektronik und Steuergeräte

  • Leistungsverteilung
  • Steuerung und Vernetzung der Energiesysteme
  • Umsetzung Betriebsstrategie

Temperatur- und Drucksensorik

  • Temperatur- und Druckerfassung
  • je nach Systemstruktur meist mehrere Sensoren integriert (für Temperatur und Druckregelung über Stack)

Turboverdichter

  • Zuführung von Luftsauerstoff in den Stack
  • notwendigen Vordruck erzeugen
  • Durchfluss gewährleisten

Kühlmittelpumpe

  • Fördern des Kühlmittels im Kühlkreislauf
  • notwendigen Vordruck erzeugen
  • Durchfluss gewährleisten

Wasserstoffrezirkulationspumpe

  • unverbrauchten Wasserstoff rezirkulieren (vom Anodenauslass zum Anodeneinlass)
  • Druckdifferenzen ausgleichen
  • Durchfluss gewährleisten

Elektromotor

  • elektrische in mechanische Antriebsleistung wandeln
  • motorischer und generatorischer Betrieb

Batterie

  • Überbrückung von Peak Leistungen
  • Speicherung rekuperierter Energie
  • Versorgung Bordnetz

Getriebesystem

  • Drehzahl - und Drehmomentwandlung
  • Parksperre

Wasserabscheider

  • Entfeuchtung des Gasgemisches am Anodenauslass
  • Speicherung und Abführung des ausgetragenen Wassers

Wasserstofftank

  • Wasserstoffspeicherung (350 / 700 bar)
  • Drucküberwachung
  • Crashsicherheit

Deionisierungsfilter

  • bindet Ionen aus dem Kühlmittel, um Leitfähigkeit zu minimieren
Die Baugruppe aus Membran, Elektroden, Gasdiffusionslagen und Subgasket Rahmen wird Membran-Elektroden-Einheit genannt (Englisch „MEA“).

Wertschöpfungsnetzwerk

Aufbau und Erhalt von Wertschöpfung sind die zentrale Zielstellung des Innovationsclusters HZwo. Brennstoffzellen für mobile Anwendungen und auch stationäre Systeme bestehen aus einer Vielzahl von Komponenten und Teilsystemen. Davon profitieren sächsische Schlüsselbranchen, wie die Zuliefer- und Fahrzeugindustrie, der Maschinen- und Werkzeugbau, Elektronik- und Energiespezialisten sowie neue Systemhersteller. Durch das Zusammenspiel von vielen Teilsystemen und unterschiedlichen Wirtschaftsbereichen bilden sich neue Wertschöpfungsnetzwerke. Im Innovationscluster HZwo werden diese gezielt miteinander verzahnt, um Sachsen zum führenden Technologiestandort für Brennstoffzellen und Wasserstoff in Deutschland und Europa voranzubringen.

Profitierende Branchen von A bis Z

Wo findet sich Ihre Branche in der Brennstoffzellentechnologie wieder?

Halbzeuge

Komponenten

Baugruppen

Systeme

Anwendung

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Anwendung

Grüner Wasserstoff kann weltweit mittels erneuerbarer Energie erzeugt und im bestehenden Gasnetz gespeichert und transportiert werden. Dieser Wasserstoff wird auch zur emissionsfreien Stahlerzeugung, Wärmeversorgung und in der Chemieindustrie benötigt.

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