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- Fachhochschule Bielefeld

1. 4 Stellen S e eine L fterspannung von 6 V ein 5 Betreiben Sie das System wahlweise im Dead end Betrieb oder im Durchflussbetrieb Beachten Sie dabei die gesonderten Hinweise zu den Betriebsarten 6 Trennen Sie die Last von der Brennstoffzelle Warten Sie ca 1 Minute und nehmen Sie dann die Leerlaufspannung des Stacks auf 7 Integrieren Sie die Last wieder in den Versuchsaufbau Durch Variation der Belastung an der elektronischen Widerstandslast k nnen Sie die angegebenen Stromwerte einstellen Nach einer Wartezeit von 1 Minute pro Messpunkt zur Stabilisierung der Werte k nnen die Daten f r Spannung und Strom aufgenommen werden Verweilen Sie nicht zu lange bei den Messpunkten damit sich die Parameter Temperatur und Membranfeuchte nicht zu stark ver ndern Dies gilt insbesondere f r Stromst rken ber 4 A Die Messung ist abzubrechen wenn die Spannung des Stacks unter 4 0 V sinkt oder die Zellentemperatur ber 45 C steigt Messwerttabelle Hinweis Nehmen Sie die Strom und Spannungswerte bis auf 2 Kommastellen genau auf Systemdruck 0 6 bar L fterspannung 6 V Messung P ol N gt Ol U oO S S AIS OSSIS A S OT I 0 40 60 80 w n 12 0 12 04 4 12 49 60 Tabelle 8 1 Messwerttabelle zur Kennlinienbestimmung Beschreibung der Messungen 79 Auswertung l Berechnen Sie f r jeden Messpunkt die Leistung des Stacks aus den aufgenommen Werten f r Spannung und Stromst rke 2
2. Beschreibung der Messungen 90 8 5 Wirkungsgrade eines Brennstoffzellensystems Versuchsziel Diese Versuchsreihe stellt die Einzelwirkungsgrade eines Brennstoffzelle Stacks denen eines autonomen netzunabh ngigen Systems gegen ber In der graphischen Darstellung des Systemwirkungsgrades wird der Einfluss der peripheren Einrichtungen auf die Parameter des Systems deutlich Teilversuch A Bestimmung des Strom und Spannungswirkungsgrades des Stacks Versuchsdurchf hrung 1 Bauen Sie den Versuch nach Versuchsaufbau Al Abbildung 12 1 im Anhang auf 2 Fahren Sie das System unter Beachtung der gesonderten Hinweise ordnungsgem an 3 ffnen Sie vorsichtig das Sp lventil am Stack f r ca 1 Sekunde um das System zu sp len 4 Stellen S e eine L fterspannung von 6 V ein 5 Betreiben Sie das System m Dead end Betrieb Stellen Sie den gew nschten Systemdruck ein empfohlener Mindestdruck 0 2 bar und notieren ihn in der Tabelle Beachten Sie die gesonderten Hinweise zu der Betriebsart 6 Notieren Sie die Starttemperatur des Stacks 7 Trennen Sie die Last von der Brennstoffzelle Warten Sie 1 Minute und nehmen Sie dann die Leerlaufspannung und den Wasserstoff Durchfluss auf 8 Integrieren Sie die Last wieder in den Versuchsaufbau Stellen Sie mit der elektronischen Widerstandslast die vorgegebenen Stromwerte ein Ver ndern Sie den Strom dabei nicht sprunghaft da in diesem Fall die Str mungsbedingungen so stark gest rt w
3. E Hui und Sinh apti L p l j m Enges biralar Araltwerk Kraltwerk Krattwerk Abbildung 4 9 Schadstoffemissionen verschiedener Kraftwerkstypen im Vergleich stadt 99 Hohes Entwicklungspotenzial Die Brennstoffzellen Technologie bietet ein hohes Entwicklungspotenzial Durch die Entwicklung verbesserter und kosteng nstiger Materialien einer Optimierung der Prozessabl ufe und einer intelligenten Regelung und Steuerung lassen sich Brennstoffzellen Systeme weiter optimieren und den Bed rfnissen einer modernen Energiewirtschaft anpassen Einer Kommerzialisierung zum heutigen Zeitpunkt stehen fehlende Betriebserfahrungen m ausreichenden Ma e im Wege Viele Systeme werden erst seit einigen Jahren unter realistischen Bedingungen betrieben Aus diesem Grunde fehlt auch noch ein aussagekr ftiger Nachweis ber die Lebensdauer der Brennstoffzellensysteme Man rechnet mit einer Lebensdauer von ca 5 Jahren f r den Zellblock und mit 15 Jahren f r die Peripherieeinrichtungen he m 99 4 7 bersicht Zellentypen Die verschiedenen Brennstoffzellentypen unterscheiden sich im Wesentlichen in der Art ihres Elektrolyten und somit n der Betriebstemperatur der Zelle Darauf beruht auch die Einordnung der Zelltypen in zwei Kategorien Die alkalische Brennstoffzelle AFC die Polymerelektrolyt Brennstoffzelle PEMFC und die phosphorsaure Brennstoffzelle PAFC geh ren zu der Kategorie der Niedertemperaturzellen Die Schmelzkarbonat Brennstof
4. A LS p Sl g Fl 12 0 12 00 1037 Tabelle 8 6 Messwerttabelle zur Bestimmung der Stack Wirkungsgrade en gt S Teilversuch B Bestimmung des Wirkungsssrades des Systems bei autonomen Betrieb F r den Betrieb des L fters ben tigt das Brennstoffzellen System Hilfsenergie Diese kann direkt dem System entnommen werden indem die L fterregelung ber einen Gleichspannungswandler versorgt wird Der Teilversuch B simuliert einen netzunabh ngigen Betrieb Versuchsdurchf hrung 1 Trennen Sie die Last von der Brennstoffzelle 2 Lassen Sie den L fter we terlaufen um den Stack bis zur Starttemperatur zu k hlen empfohlene Spannung 2 V 3 Realisieren Sie den netzunabh ngigen Betrieb indem Sie die Versuchsanordnung entsprechend Versuchsaufbau A4 Abbildung 12 4 im Anhang umbauen 4 Ist d e Temperatur des Stacks auf den Wert des vorangegangenen Teilversuchs abgesunken kann mit der Messung begonnen werden Um die Messreihen vergleichbar zu machen behalten Sie die Werte der Parameter Druck und L fterspannung bei F hren Sie die Schritte 3 8 des Teilversuchs A durch Die Messung ist abzubrechen wenn die Spannung des Stacks unter 4 0 V sinkt oder die Temperatur ber 45 C steigt Messwerttabelle Hinweis Nehmen Sie die Spannungs und Stromwerte bis auf 2 Kommastellen und den Wasserstoff Durchfluss bis auf einen Teilstrich genau auf Beschreibung der Messungen 92 Systemdruck 0
5. Um dieser Entwicklung im Segment der fossilen Energietr ger Rechnung zu tragen m ssen die Kosten tendenziell nach oben korrigiert werden Im Bereich der erneuerbaren Energien erscheint durch einen stetigen R ckgang der Anlagenkosten n den letzten Jahren eine Anpassung der Zahlen nach unten notwendig Wasserstoffwirtschaft 27 Wasserstoff aus foss len Energietr gern aus Erdgas Dampfreforming 4 6 Pf kWh aus Schwer l Partielle Oxidation 5 9 Pf kWh aus Kohle Kohlevergasung nach Winkler 7 8 Pf kWh aus Kohle Kohlevergasung nach Koppers Totzek 12 2 Pf kWh Wasserstoff aus erneuerbaren Energietr gern Elektrolyse mit Strom aus Gro wasserkraftwerken 5 10 Pf kWh Elektrolyse mit Strom aus Windkraftwerken 15 30 Pf kWh Elektrolyse mit Strom aus solarthermischen Kraftwerken 30 40 Pf kWh Elektrolyse mit Strom aus Photovoltaik 400 Pf kWh Wasserstoff aus Biomasse 10 Pf kWh Zuk nftige Herstellungskosten Durch die starke Abh ngigkeit der konventionellen Wasserstofferzeugung vom Bezugspreis f r Prim renergietr ger rechnet man kurzfristig mit sinkenden Gestehungskosten durch marktbedingt fallende Energiepreise Langfristig wird eine Verteuerung der Energietr ger auch die Wasserstoffgestehungskosten erh hen da die Kosten f r die Energietr ger die Kapitalkosten der Anlagen bei weitem bersteigen Kostenreduktionen bei den Verfahren sind anzustreben haben aber nur einen zweitrangigen Einfluss auf den Wasserstoffpreis Regenerati
6. Zur genauen Justierung der Wasserstoffmenge muss am Gasausgang des Stacks ein Blasenz hler angeordnet werden Blasenz hler bestehen aus zwei gegeneinander geschalteten Gaswaschflaschen von der die zweite mit destilliertem Wasser gef llt ist Die Anordnung des Grundlegende Bedienungshinweise 73 Blasenz hlers im Brennstoffzellen System wird aus Abbildung 7 2 deutlich Der Durchfluss ist so einzustellen dass m Blasenz hler ca eine Wasserstoff Blase pro Sekunde austritt Abbildung 7 2 Anordnung des Blasenz hlers im Durchfluss Betrieb helio2 99 Beim Durchflussbetrieb ist eine permanente berwachung des Systems notwendig Eine Variierung des Stromes wirkt sich unmittelbar auf den Wasserstoff Verbrauch aus Schon geringe nderungen im Wasserstoff Fluss k nnen zum Austritt gr erer Mengen Wasserstoff oder auch zur Unterversorgung des Stacks f hren Eine unverz gliche Anpassung des Wasserstoff Flusses an den ver nderten Strom ist zwingend notwendig Der Durchflussbetrieb wird f r einfache Demonstrationsexperimente empfohlen da zus tzliche Installationen f r den Druckbetrieb nicht notwendig sind Werden die Brennstoffzellen direkt mit einem Elektrolyseur ohne Zwischenspeicher und S cherheits berwachung versorgt ist ebenfalls diese Betriebsart zu w hlen Dead end Betrieb Beim Dead end Betrieb wird die Ausgangsseite des Brennstoffzellenstacks mit einem Sp lventil verschlossen In die Zellen str mt nur die Wasserstoffm
7. gliches Kommunikationskonzept vorgestellt werden Die folgenden Ideen k nnen als Grundlage f r eine Folgearbeit dienen verstehen s ch aber nicht als verbindliche Umsetzungsvariante Zielsetzung Das Pr sentationsmodell soll allen beteiligten Projektpartnern auf Messen Energietagen Fachtagungen Kongressen etc zur Veranschaulichung neuer Energiekonzepte und nicht zuletzt als Anziehungspunkt Eye Catcher f r den Ausstellungsbereich dienen Dazu sollte das Pr sentationsmodell ein professionelles Erscheinungsbild abgeben und f r den Betrachter ein hohes Ma an Attraktivit t aufweisen Die Attraktivit t erh lt das Ausstellungsst ck dadurch dass die Pr sentation der Technologie auf die anzusprechende Zielgruppe zugeschnitten ist Ziel ist es eine m glichst hohe Identifikation des Kunden mit dem dargestellten Anwendungsfall zu erreichen Im Fall der beteiligten Energiedienstleister k nnen zwei Zielgruppen definiert werden e Gesch ftskunden e Private Kunden Umgestaltung des Modells zur Pr sentation Um das Pr sentationsmodell problemlos an die jeweilige Zielgruppe anpassen zu k nnen sollte ein modularer Aufbau gew hlt werden Dies erleichtert zudem den Umbauaufwand vom Ausbildungs zum Pr sentationssystem Die folgenden vier Einzelmodule w rden eine z elgruppenspezifische Pr sentation erlauben e Energieumwandlungsmodul In diesem Baustein sollte die Brennstoffzelle sowie die Wasserstoffversorgungselemente untergebrac
8. oder auch Energiewirkungsgrad einer Brennstoffzelle ergibt sich zu NE Nrev NU NI Gl 4 18 Bei der Betrachtung eines Brennstoffzellensystems muss zus tzlich noch ein Systemwirkungsgrad MNsys f r den Energiebedarf der Peripherie wie Pumpen Heizung K hlung Kompression etc integriert werden n Nrev Nu n Nsys Gl 4 19 Abbildung 4 4 zeigt den Verlauf des Wirkungsgrades einer Einzelzelle und eines Zellen Stacks ber die Stromst rke Zeilll che 1180 cm Zeenzahl 72 Leistung bis G ki Zalensinpei Einzelzels AD Bo BC 1000 Sinamsi rke A Abbildung 4 4 Wirkungsgradverlauf einer Einzelzelle und eines Zellstapels helio1l 99 In der Praxis versucht man eine Brennstoffzelle mit m glichst gro er Leistung und damit bei einem m glichst gro en Strom zu betreiben Wie in ersichtlich nimmt bei steigender Stromst rke der Wirkungsgrad der Zelle ab und die thermische Verlustleistung wird gr er Die Wirkungsgrad Charakteristik einer Einzelzelle ist mit dem Kurvenverlauf des Spannungswirkungsgrades identisch Bei Einzelzellen sind Strom und Systemwirkungsgrad nahezu 100 Beim Zellenstapel kommt es zu vermehrten Leckagen und chemischen Nebenreaktionen so dass der Stromwirkungsgrad an Bedeutung gewinnt Der Systemwirkungsgrad wirkt sich besonders bei kleinen Str men negativy auf den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems aus 4 3 5 Wirkungsgradvergleich In Abbildung 4 5 sind die real erzielbaren W
9. rkungsgrade verschiedener Brennstoffzellentypen als Funktion der elektrischen Leistung im Vergleich zu konkurrierenden Systemen dargestellt Es st deutlich zu erkennen dass Brennstoffzellen ber das gesamte Leistungsspektrum bessere Wi rkungsgrade erzielen als die konventionellen Techniken Besonders aber in kleineren Leistungsklassen zeigt sich der enorme Vorsprung der Brennstoffzelle Damit besitzen Brennstoffzellen beste Voraussetzungen um n der Kraft W rme Kopplung oder in mobilen Antrieben Anwendung zu finden Brennstoffzellen 43 SOFCIMCFE GUD a E B Ta zZ Kraltwerksleistune OOIMW OIMW HMM toMW 100MW 1000 MW Abbildung 4 5 Wirkungsgradvergleich konventioneller Techniken mit der Brennstoffzelle leusch 99 4 4 Elektrodenkinetik Bei Brennstoffzellen ist hnlich wie bei Batterien und Akkumulatoren die Leerlaufspannung gr er als die Lastspannung Diese Spannungsdifferenz bezeichnet man als Polarisation oder berspannung Die Spannungsverluste sind abh ngig von der Stromdichte und werden bestimmt durch die Kinetik der Elektrodenreaktionen das Design der Zelle und der Art des Elektrolyten Die Summe der berspannung einer Zelle setzt sich aus mehreren Einzel berspannungen zusammen Die folgenden Einzel berspannungen sollen anhand des Kennlinienverlauf einer Brennstoffzelle n her untersucht werden vgl Kapitel 4 3 2 Abweichung vom idealen Gleichgewichtszustand Durchtritt berspannung berspann
10. werden Messwerttabelle Hinweis Nehmen Sie die Spannungswerte bis auf 2 Kommastellen genau auf Beschreibung der Messungen Systemdruck 0 6 bar Messungen Tabelle 8 9 Messwerttabelle zum Wechsel vom station ren zum dynamischen Zustand der Zellen Auswertung 1 Tragen Sie die gemessenen Werte in ein Spannung Temperatur Zeit Diagramm ein Spannung Temperatur Diagramm Spannung Temperatur Abbildung 8 10 Spannung Temperatur Diagramm 99 Beschreibung der Messungen 100 Interpretation Infolge der unver nderten Strombelastung stellt sich n den ersten 30 Minuten ein konstanter Zustand m Stack ein Dieser ist gekennzeichnet durch eine bestimmte Feuchtigkeit des Membranelektrolyten die den Innenwiderstand und damit den Spannungswirkungsgrad des Stacks beeinflusst Der Spannungswirkungsgrad legt die thermische Verlustleistung die sich in der Zellentemperatur niederschl gt des Stacks fest ber die Dampfkurve von Wasser hat die Temperatur wiederum Einfluss auf die Feuchtigkeit der Membran Bei Ver nderung eines Betriebsparameters wird dieses Gleichgewicht gest rt und ein neuer Zustand stellt sich ein Durch Verringerung der L fterspannung reduziert sich die Luftzufuhr des Stacks Die K hlung der Zellen wird gemindert und die Stack Temperatur steigt Dadurch reduziert sich wiederum der Wassergehalt der Membran der Innenwiderstand des Stacks steigt und der Spannungswirkungsgrad n mmt ab Diese Ent
11. zur Detonation Dieser Umschlag erfolgt aber nur bei gen gend langen Wesstrecken z B in R umen oder Rohren Die Verbrennungs geschwindigkeit ist nicht mit der Flammenfrontgeschwindigkeit zu verwechseln die die Summe aus der Verbrennungsgeschwindigkeit und der Verdr ngungsgeschwindiskeit des unverbrannten Gasgemisches angibt Die hohen Verbrennungsgeschwindigkeiten des Wasserstoffs gegen ber anderen Brenngasen bilden das Hauptproblem der Sicherheitstechnik Um einen bergang von gewollten Verbrennungsvorg ngen zur ungewollten Detonation vor allem in R umen und langen Rohren zu vermeiden k nnen konstruktive Ma nahmen ergriffen werden Detonationsgrenze Reiner Wasserstoff ist nicht explosiv Nur Gas Luft Gemische in bestimmten Konzentrationen sind explosi onsf h g Die Detonationsgrenze gibt die Brenngas konzentrationen an d e unter Einwirkung einer Z ndenergie detonieren Im Gegensatz zur Deflagration verl uft eine Detonation mit wesentlich h herer Geschwindigkeit ca 2 km s und scharfen gro en Druckwellen ca 16 bar berdruck Eine Detonation hat zerst rerischen Einfluss auf die Umgebung Auch bei den Detonationsgrenzen ist die untere Grenze zur Beurteilung eines potenziellen Sicherheitsrisikos aus den genannten Gr nden vgl Z ndgrenzen heran zu ziehen Die untere Detonationsgrenze von Wasserstoff liegt bei 13 Vol Methan detoniert schon bei weitaus geringeren Gasanteilen von 6 3 Vol Daf r ist aber der Detonat
12. 2 Bestimmen Sie den Stromwirkungsgrad N sys 1 des Systems Verluste durch elektro chemische Nebenreaktionen und Undichtigkeiten werden mit dem Strom oder Faradaywirkungsgrad ausgedr ckt Er st das Verh ltnis aus dem gemessenen Strom und dem anhand des zugef hrten Wasserstoff Volumenstroms mit Hilfe des 1 Faradayschen Gesetzes berechneten theoretisch m glichen Strom I M th VxF z Lee V n Wasserstoff Volumenstrom in l s Faraday Konstante 96 485 C mol Anzahl der Elektronen je Teilchenumsatz der Reaktion z 2 Molares Volumen bei 0 C 22 41410 l mol Anzahl der Zellen im Stack 10 mit a 3 X Beschreibung der Messungen 83 4 Bestimmen Sie den Energiewirkungsgrad ng I des Systems Ne u N 5 Der Stromwirkungsgrad N s 1 der Brennstoffzelle ist zu ermitteln Dazu muss die Leckrate des Systems bekannt sein vgl Versuch 8 3 Man subtrahiert den Leckvolumen strom von dem gemessenen Wasserstoff Volumenstrom und berechnet den Strom wirkungsgrad mit den korrigierten Werten f r den Volumenstrom 6 Erstellen Sie ein Wirkungsgrad Strom Diagramm mit dem Spannungswirkungsgrad Nu D dem Stromwirkungsgrad n sys I und dem Energiewirkungsgrad ne I Wirkungsgrad Strom Diagramm Spannungswirkungsgrad Stromwirkungsgrad Energiewirkungsgrad Abbildung 8 4 Wirkungsgrade eines Brennstoffzellensystems Interpretation Detaillierte Ausf hrungen zur Interpretation der Ergebnisse d
13. 41410 l mol Anzahl der Zellen im Stack 10 mit A 3 Beschreibung der Messungen 103 6 Tragen Sie die aufgewendete Leistung in das Lastprofil Diagramm e n 7 Bestimmen Sie den Nutzungsgrad NG des Systems f r das vorliegende Lastprofil W NG nutz Wu gt een gt At i j ba At Lastprofil Diagramm 10 t min t Laststrom Nutzleistung Zugef hrte Leistung Abbildung 8 11 Lastprofil Diagramm Interpretation Abbildung 8 11 verdeutlicht einen der Vorz ge der PEM Brennstoffzellen Der Zellstapel ist in der Lage schnellen Lastwechseln problemlos zu folgen Weiterhin wird in dem Diagramm das Verh ltnis von Nutzleistung zur zugef hrten Leistung deutlich Betrachtet man die Leistungen ber die Zeit erh lt man die jeweiligen Energien Das Verh ltnis der Nutzenergie zur zugef hrten Energie bezeichnet man als Nutzungsgrad Der Nutzungsgrad f r das vorliegende Lastprofil betr gt etwa 43 Beschreibung der Messungen 104 8 9 Systemantwort auf Lastwechsel Versuchsziel Das gute Lastwechselverhalten von PEM Brennstoffzellen ist das Thema dieser Messanordnung Ein vorgegebenes Lastprofil mit unterschiedlichen Stromspr ngen wird durchgefahren und die Anpassung der Stack Spannung an den neuen Zustand messtechnisch aufgenommen Aus der graphischen Darstellung der Parameter kann die Zeitkonstante f r die Sprungantwort ermittelt werden und das Lastverhalten der Zellen beurteilt werden
14. Abbildung 12 1 im Anhang oder alternativ ohne Durchflussmesser und Si cherheitsventil nach Versuchsaufbau A2 Abbildung 12 2 im Anhang auf 2 Fahren Sie das System unter Beachtung der gesonderten Hinweise ordnungsgem an 3 ffnen Sie vorsichtig das Sp lventil am Stack f r ca 1 Sekunde um das System zu sp len nur bei Dead end Betrieb 4 Stellen S e eine L fterspannung von 6 V ein 5 Betreiben Sie das System im Dead end Betrieb oder im Durchflussbetrieb Beachten Sie dabei die gesonderten Hinweise zu den Betriebsarten 6 Notieren Sie die Starttemperatur des Teilversuchs 7 Trennen Sie die Last von der Brennstoffzelle Warten Sie ca 1 Minute und nehmen Sie dann die Leerlaufspannung des Stacks auf 8 Integrieren Sie die Last wieder in den Versuchsaufbau Durch Variation der Belastung k nnen Sie die angegebenen Stromwerte einstellen Nach einer Wartezeit von 1 Minute pro Messpunkt zur Stabilisierung der Werte k nnen die Daten f r Spannung und Strom aufgenommen werden Verweilen Sie nicht zu lange bei den Messpunkten damit sich die Parameter Temperatur und Membranfeuchte nicht zu stark ver ndern Dies gilt insbesondere f r Stromst rken ber 4 A Die Messung ist abzubrechen wenn die Spannung des Stacks unter 4 0 V sinkt oder die Temperatur ber 45 C steigt Teilversuch B Messung mit einem zus tzlichen Serienwiderstand Um den Einfluss des Innenwiderstandes der Zelle auf die Kennlinie zu simulieren wird ein
15. Biogas entstehen Dieses enth lt hohe Anteile CO und CH Methan Durch Reformierung kann daraus Wasserstoff gewonnen werden Direkt eingesetzt werden kann das Gas bei Hochtemperatur Brennstoffzellen z B MCFC wobei der Reformierungprozess auf Grund der hohen Temperaturen direkt an der Elektrode stattfindet Die Biomassenverg rung ist schon zur Marktreife entwickelt Die Kommerzialisierung der direkten Gasnutzung h ngt von der Entwicklung einer geeigneten Brennstoffzelle ab und ist in K rze zu erwarten zittel 96 Wasserspaltung mit Sonnenenergie Die Erzeugung von solarem Wasserstoff st mit photoelektrochemischen photochemischen und photobiologischen Verfahren m glich Die solare Strahlungsenergie stellt bei diesen Verfahren die n tige Energie zur Spaltung des Wassers zu Verf gung Allerdings bedarf es bei diesen Methoden eines zus tzlichen Systems der Strahlungsabsorption da Wassermolek le allein die Sonnenstrahlung nicht absorbieren k nnen Das vielversprechendste Verfahren ist die photobiologische Wasserstoffherstellung Bestimmte Wasserstoffwirtschaft 16 Bakterien und Algenarten k nnen unter Einwirkung von Sonnenenergie Wasserstoff freisetzen oder ihn als Zwischenprodukt erzeugen Prinzipiell unterscheidet man zwei Verfahren Die Photosythese zu deren Ablauf Licht ben tigt w rd und die Fermentation die n Dunkelheit abl uft Aus dem Forschungsstadium heraus vermutet man n ca 5 Jahren ein marktreifes System entwick
16. Energie extern in Form von Hochtemperaturw rme um S00 1 000 C einzubringen und den Anteil der elektrischen Energie zu senken Der Hintergedanke zu diesem Verfahren ist die Nutzung von Kraftwerksabw rme oder konzentrierter solarer Strahlungsenergie Das Verfahren ist aber durch Werkstoffprobleme bislang nicht ber den Entwicklungsstatus hinaus gekommen 3 2 3 Biologische Verfahren Wasserstofferzeugung aus Biomasse Der Vorteil der Erzeugung von Wasserstoff aus Biomasse gegen ber der Elektrolyse liegt darin dass durch die direkte Produktion der Umweg ber die Verstromung entf llt und sich somit der Systemwirkungsgrad erh hen l sst Die Biomasse verh lt sich hnlich wie konventionelle Prim renergietr ger ist allerdings in absehbaren Zeitr umen regenerierbar a Wasserdampfvergasung von Biomasse Wasserstoff aus Biomasse kann sowohl aus Gas als auch aus Feststoffen gewonnen werden Durch Pyrolyse Zersetzung oder Vergasung entstehen wasserstoffreiche Gase Der Wasserstoffanteil des Gases wird von den Prozessparametern Druck und Temperatur bestimmt Die schon beschriebenen Verfahren der Vergasung bzw des Reformings kommen in diesem Segment zur Anwendung Auch ist der Einsatz einer weiteren Konvertierungsstufe m glich Die Kommerzialisierung dieses Verfahrens wird in kurzer Zeit erwartet zittel 96 b Verg rung von Biomasse Durch anaerobe Methang rung kann aus Biomasse mit einem hohen Fl ssigkeitsanteil oder fl ssiger G lle
17. Materialprobleme im atomaren Ma stab im Wege wurster 98 Die weniger problembehaftete Entwicklung des elektrodynamischen Generators Siemens 1866 des Verbrennungsmotors Otto 1863 Diesel 1892 und der Gasturbine Stolze 1900 lie en das Interesse an einen elektrochemischen Generator trotz seiner schon fr h erkannten Vorteile sinken oertel 97 Die technische Wei terentwicklung der Brennstoffzelle begann kurz nach dem 2 Weltkrieg 1954 demonstrierte Francis T Bacon in England den Prototyp einer alkalischen Brennstoffzelle AFC wurster 98 Das erste komplette Brennstoffzellensystem mit einer Leistung von 1 kW entwickelte General Electric GE 1963 Es handelte sich um eine PEM Brennstoffzelle mit einer Leistungsdichte von nur wenigen mW cm die im Gemini Raumfahrtprogramm der USA eingesetzt wurde Bei den Apollo und Space Shuttle Missionen kamen AFC s von International Fuel Cells IFC zum Einsatz Trotz deutlicher Leistungssteigerungen durch verbesserte Materialien beschr nkte s ch der Einsatz aufgrund der hohen Kosten auf die Raumfahrt und das Milit r ledjeft 95 In den 70 ger Jahren begann die Entwicklung von Mittel und Hochtemperatur brennstoffzellen mit dem Ziel Kraftwerksleistungen von mehreren MW zu realisieren wurster 98 Erst Anfang der 80er Jahre wurde die Entwicklung der Niedertemperaturzellen vor allem die PEMFC von Ballard Power USA mit Nachdruck wieder aufgenommen Die erweiterten Einsatzgebiete f r dez
18. System wird als Experimentiersystem eine gewisse Robustheit abverlangt Eine m gliche Fehlbedienung soll nicht zu einer unmittelbaren Zerst rung des Systems f hren e Mobilit t Zur Pr sentation auf Messen etc wird eine gro e Mobilit t des Systems erwartet Die Abmessungen werden begrenzt durch die zur Verf gung stehenden kleinen Ausstellungsfl chen und die Ladekapazit ten geeigneter Transportfahrzeuge e Ausbauf higkeit Ein Entscheidungskriterium ist die problemlose Integration weiterer Teilsysteme einer Wasserstoff Energiewirtschaft oder die Erweiterung der vorhandenen Teilsysteme um zus tzliche Elemente In folgenden Entwicklungsschritten ist die Einbindung eines Elektrolyseurs oder einer Photovoltaik Anlage denkbar e Preis Der Preis des Systems muss m Verh ltnis zur Anwendung und zum Nutzen stehen Die Finanzierung des Projektes durch die drei Projektpartner sollte beim Projektstart gesichert sein und nicht auf antragpflichtige Zuschussquellen basieren Konzeption zum Aufbau eines Brennstoffzellenmodells 63 Nach Abw gung der Kriterien und R cksprache mit den Projektpartnern fiel die Entscheidung auf ein Brennstoffzellensystem der Firma Heliocentris Energiesysteme Berlin Das Brennstoffzellensystem NP ist erst seit Ende 1999 auf dem Markt und ist in punkto Leistung und Preis zu diesem Zeitpunkt einzigartig am Markt Es handelt sich um eine unempfindliche PEM Zelle die mit Luftsauerstoff als Oxidant betrieben wird Die Zelle h
19. Versuchsdurchf hrung l Bauen Sie den Versuch nach Versuchsaufbau Al Abbildung 12 1 im Anhang auf 2 Fahren Sie das System unter Beachtung der gesonderten Hinweise ordnungsgem an 3 ffnen Sie vorsichtig das Sp lventil am Stack f r ca 1 Sekunde um das System zu sp len 4 Stellen Sie eine L fterspannung von 6 V ein 5 Betreiben Sie das System im Dead end Betrieb Stellen Sie den gew nschten Systemdruck ein empfohlener Mindestdruck 0 2 bar und notieren ihn in der Tabelle Beachten Sie die gesonderten Hinweise zu der Betriebsart 6 Integrieren Sie die elektronische Last in den Versuchsaufbau Stellen Sie an der Widerstandslast einen Laststrom von 2 A ein und speichern Sie diesen Wert genaue Erl uterung zur Speicherung der Einstellung in euro 00 Stellen Sie anschlie end einen Lastrom von 6 A an der elektronischen Last ein und trennen Sie diese wieder vom System Warten S e nach jeder Einstellung des Laststromes etwa 2 Minuten bis sich der Strom und die Spannung ann hernd stabilisiert haben Ver ndern Sie den Strom dabei nicht sprunghaft da in diesem Fall die Str mungsbedingungen so stark gest rt werden dass es einige Minuten dauern kann bis sich die Kugeln im Durchflussmesser wieder stabilisiert haben 7 Fahren Sie die in der Messwerttabelle vorgegebenen Lastwechsel durch indem Sie zu den angegebenen Zeiten die Last in den Aufbau integrieren und zwischen den beiden voreingestellten Laststr men wechseln Nehmen S
20. Wechselrichter zu minimieren Ob s ch der Aufwand einer zus tzlichen Installation eines Gleichspannungsnetzes f r bestimmte Versorgungsbereiche etabliert bleibt abzuwarten oertel 97 PEM Zelle 58 In Abbildung 5 11 wird eine Designstudie einer Hausenergieversorgung vorgestellt deren Markteinf hrung f r 2001 vorgesehen ist VAILLANT BRENNSTOFFZELLEN HEIZGER T Regelung Interface Brennstoffzellen Wechselrichter Vaillant Abbildung 5 11 Hausenergieversorgung der Firma Vaillant vaillant 00 5 4 Perspektiven und Ausblick Versch rfte Umweltauflagen die Deregulierung der Energiem rkte und der Trend zu kleineren dezentralen Energieerzeugungseinheiten bilden die Rahmenbedingungen f r einen zuk nftigen Einsatz der Brennstoffzellentechnologie F r die PEMFC er ffnen sich in diesem Markt sowohl im station ren aber insbesondere im mobilen Anwendungsfall vielversprechende Perspektiven Im station ren Bereich tritt die PEM Zelle in Konkurrenz zu konventionellen KWK Anlagen auf der Basis von Verbrennungsmotoren und Gasturbinen In der Hausenergieversorgung stellt die PEM Zelle eine Alternative zu den herk mmlichen Heizkesseln dar Die Umstrukturierung der Energiem rkte bietet Chancen zur Markteinf hrung der PEMFC m W rmemarkt aber auch n der Elektrizit tserzeugung Chancen im W rmemarkt In der Bereitstellung von Raumw rme und Warmwasser er ffnet s ch f r die PEM Zelle m Niedertemperaturw rmemarkt e
21. York London Paris Tokyo 1989 Winter C J Sonnenenergie nutzen Technik Wirtschaft Umwelt Klima Forum f r Zukunftsenergien VDE Verlag Berlin Offenbach 1997 Wurster R Wasserstoffspeicher und Brennstoffzellensysteme f r dezentralen station ren und mobilen Einsatz Ludwig B lkow Systemtechnik GmbH Ottobrunn 1997 Wurster R Technologie und m gliche Anwendung der Brennstoff zelle Deutsche K lte Klima Tagung 1998 L B Systemtechnik GmbH Ottobrunn 1998 Zittel W Wurster R Wasserstoff in der Energiewirtschaft Ludwig B lkow Systemtechnik GmbH Ottobrunn 1996 Zittel W Wurster R Wasserstoff in Der Energieberater 26 Erg Lfg Bd 2 Kap 6 11 Deutscher Wirtschaftsverlag K ln 1998 Zentrum f r Sonnenenergie und Wasserstoffforschung Produktinformat ionen Ulm 2000 Anhang 114 12 Anhang 12 1 Versuchsaufbau A 1 Ben tigte Komponenten Brennstoffzellenstack Elektronische Last Wasserstoffversorgung mit Druckminderer Durchflussmesser L fterstromversorgung Strommessger t Spannungsmessger t Temperaturmessger t Durchiiussmesser Brennsioffzellenstiack So lwentil ruckminderer Q EFFETT FEFETE idersiandslast AL206 oder Elekiron Last EL100 Abbildung 12 1 Versuchsaufbau A1 helio1 99 Anhang 12 2 Versuchsaufbau A 2 Ben tigte Komponenten Brennstoffzellenstack Elektronische Last Wasserstoffversorgung mit Druckminderer L fterstromversorgung St
22. der Fl ssigwasserstolf eine Temperatur von ca 21 K Bereits Mitte der f nfziger Jahre wurden Anlagen mit Produktionskapazit ten von 10 60 t d oder 6 000 35 000 h in den USA errichtet Weltweit sind heute ca 10 solcher mittelgro en Anlagen n Betrieb In sp teren Jahren wurden haupts chlich Anlagen mit kleineren Kapazit ten m Bereich von 3 12 t d oder 2 000 6 000 1 h gebaut In Deutschland betreibt die Firma Linde in Ingolstadt eine Anlage mit einer Kapazit t von 4 4 t d zittel 98 3 3 2 Speicherung Druckgasspeicherung a Station re Gro speicher Wasserstoff kann hnlich wie Erdgas in gro en Mengen in unterirdischen Speichern gelagert werden Als Speicherr ume werden Porenspeicher Aquifere Salz und Felskavernen genutzt In England und Frankreich besitzt man mit diesem Verfahren schon Langzeiterfahrungen Der britische Chemiekonzern ICI betreibt in Teeside drei Salzkavernen mit einer Tiefe von bis zu 366 m und einem Druck von bis zu 50 bar Von 1957 bis 1974 speicherte die GAZ DE FRANCE ca 330 Mio m Stadtgas mit einem Wasserstoffanteill von 50 in einem Aquiferespeicher zittel 96 In Deutschland unterhalten die Stadtwerke Kiel seit 1971 eine Gaskaverne zur Speicherung von Stadtgas mit einem Wasserstoffanteil von 60 bis 65 Der Speicher besitzt ein geometrisches Volumen von 32 000 m und eine Tiefe von 1 330 m Das Gas wird dort unter einem Druck von 80 160 bar eingelagert w nter 89 Die unterirdische Speic
23. der Forschung an entsprechenden Brennstoffzellentypen vgl Kapitel 5 zittel 96 In der fortschreitenden Entwicklung dieses Verfahrens hat sich gezeigt dass es zun chst eher in Kleinanlagen zum Tragen kommt Ein gro technischer Einsatz ist zur Zeit nicht angedacht Die Investitionskosten f r entsprechende Anlagen h ngen stark von der weiteren Entwicklung und Fertigung entsprechender Brennstoffzellentypen ab Bei einem bergang zu einer Serienfertigung von Membran Brennstoffzellen stellt sich dieses Verfahren trotz der kleineren Einheitsgr en als wirtschaftlich dar Wasserstoffwirtschaft 15 b Hochdruckwasserelektrolyse Eine besondere Materialauswahl und optimierung erlaubt es Wasserstoff mit Dr cken bis zu 50 bar zu generieren Ein weiteres Entwicklungsziel ist eine optimale Leistung des Elektrolyseurs auch bei stark schwankender Energiezufuhr z B durch Photovoltaik oder Windkraftanlagen Das sich noch in der Entwicklung befindliche Verfahren wird voraussichtlich Investitionskosten von ca 2000 2500 DM kW verursachen zittel 98 c Hochtemperatur Elektrolyse Die Hochtemperaturelektrolyse HotElly verwendet als Elektrolyt eine Sauerstoffionen leitende Keramik Das Wasser wird kathodenseitig als Dampf zugef hrt der bei der Zersetzung ein Wasserstoff Dampf Gemisch bildet Die durch d e Keramik transportierten OH Ionen entladen sich an der Anode zu Sauerstoff Die Hochtemperaturelektrolyse versucht einen Teil der notwendigen
24. der Zelle dagegen steigt mit steigender Stromdichte bis zu einem bestimmten Punkt kontinuierlich an In der Praxis muss ein Kompromiss zwischen optimalen Wirkungsgrad und maximaler Leistung der Zelle gefunden werden Brennstoffzellen 46 4 6 Eigenschaften von Brennstoffzellen Neben dem schon diskutierten Charakteristikum der generell besseren Wirkungsgrade von Brennstoffzellen gegen ber konventioneller Elektrizit tserzeugung bietet die Brennstoffzellen Technologie weitere Merkmale die zur berlegenheit des Systems beitragen heim 99 nrw 00 Hoher Wirkungsgrad be Voll und auch Teillastbetrieb Wie schon in Kapitel n her ausgef hrt ist der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen generell h her als der konventioneller Techniken In der Beurteilung der Wirkungsgrade spielt aber nicht der Zellwirkungsgrad sondern vielmehr der Gesamtwirkungsgrad des Systems eine entscheidende Rolle heim 99 Bennstoffzellen erreichen elektrische Systemwirkungsgrade je nach Zelltyp von 35 bis 70 Durch Ausnutzung der Abw rme vor allem bei den Hochtemperaturzellen l sst sich der Gesamtwirkungsgrad auf bis zu 90 steigern vgl Tabelle 4 1 Ein weiterer Vorteil gegen ber anderen Wandlertechniken ist dass der Wirkungsgrad der Brennstoffzellen nicht nur unter Volllast hoch ist Im Teillastbetrieb arbeitet das System sogar noch effektiver vgl Abbildung 4 7 Hohe Stromkennzahl Die Stromkennzahl beschreibt das Verh ltnis von erzeugter elektrisch
25. e f r den jeweiligen Lastzustand den Wert der Stackspannung auf 8 Trennen S e d e Last von der Brennstoffzelle Die Messung ist abzubrechen wenn die Spannung des Stacks unter 4 0 V sinkt oder die Temperatur ber 45 C steigt Messwerttabelle Hinweis Nehmen Sie die Strom und Spannungswerte bis auf 2 Kommastellen genau auf Beschreibung der Messungen 105 i Lastzustand Messwerte I U Umschalten auf 6 A Umschalten auf 2 A Tabelle 8 11 Lastprofil zur Ermittlung der Sprungantwort Auswertung l Tragen Sie die Werte f r den Laststrom und die Stackspannung ber die Zeit in ein Sprungantwort Diagramm ein 2 Bestimmen Sie aus dem Diagramm die Zeitkonstante der Sprungantwort Beschreibung der Messungen 106 Sprungantwort auf Lastwechsel Spannung Strom Abbildung 8 12 Sprungantwort auf Lastwechsel Interpretation Bei sprunghafter nderung des Laststromes ist eine charakteristische Antwort der Stackspannung zu erkennen Die Dauer bis zum Erreichen eines station ren Zustandes f r die Spannung wird als Zeitkonstante bezeichnet Im gezeigten Beispiel betr gt die Anpassung an den neuen Zustand rund 40 Sekunden Entwurf zur Pr sentation und Kommunikat on 107 9 Entwurf zur Pr sentation und Kommunikation Nachdem in dieser Arbeit die ausbildungsorientierte Anwendung des Experimentiersystems ausf hrlich erarbeitet wurde soll in diesem Abschnitt ein Entwurf eines Pr sentationsmodells und ein m
26. eine m gliche zeitliche Verf gbarkeit der Technik el Wahrscheinlichste Anwendungsfelder Verf gbarkeit r e man milit rische Spezialanwendungen heute schon eingesetzt ae AE Anwendungen f r direkten Wasserstoffeinsatz 1998 Station re Anwendungen f r h usliche Strom und 1999 2000 W rmeerzeugung Station re Anwendungen f r dedizierte Strom und 2000 2003 W rme produktion Mobile Anwendungen in Bussen in Versorgungsfahrzeugen 2000 2003 Mobile Anwendungen im Schienenverkehr Stadtbahnen 2005 Lokomotiven Mobile Anwendungen im PKW 2005 2010 Station re Anwendungen f r Strom und W rme PAFC produktion Mobile Anwendungen im Schienenverkehr Station re Anwendungen f r kombinierte Strom und MCFC Dampfproduktion Station re Anwendungen im EV U Einsatz Station re Anwendungen in der h uslichen W rme und 1998 Strom produktion Station re Anwendungen f r kommerzielle W rme und 2000 2003 SOFC Stromproduktion Station re Anwendungen im EV U Sektor Mobile gt 2005 Anwendungen m Schienenverkehr Tabelle 4 2 Anwendungsfelder der Brennstoffzellentechnologie wurster 98 Nach den allgemeinen Betrachtungen zu Brennstoffzellen wird im folgenden Kapitel gesondert auf die PEM Brennstoffzelle eingegangen Der Aufbau die Eigenschaften und die Anwendunssfelder dieses Zelltyps werden typenspezifisch dargestellt Die expliziten Ausf hrungen zur PEMFC untermauern den praktischen Teil dieser Arbeit in dem e
27. empfohlener Mindestdruck 0 2 bar und notieren ihn in der Tabelle Beachten Sie die gesonderten Hinweise zu der Betriebsart 6 Integrieren Sie die elektronische Last in den Versuchsaufbau Stellen Sie mit der Widerstandslast einen Laststrom von 2 A ein Warten Sie etwa 2 Minuten bis sich der Strom und die Spannung ann hernd stabilisiert haben Ver ndern Sie den Strom dabei nicht sprunghaft da in diesem Fall die Str mungsbedingungen so stark gest rt werden dass es einige Minuten dauern kann bis sich die Kugeln im Durchflussmesser wieder stabilisiert haben 7 Fahren Sie das in der Messwerttabelle vorgegebenen Lastprofil durch indem Sie zu den angegebenen Zeiten die Last von der Brennstoffzelle trennen bzw wieder integrieren Nehmen Sie f r den jeweiligen Lastzustand die Werte f r Strom Spannung und Wasserstoff Durchfluss auf Anhand der Position der schwarzen Glaskugel und der metallischen Kugel m Durchflussmesser kann der Durchfluss bestimmt werden Die schwarze Glaskugel ist zur Messung kleiner die metallische Stahlkugel zur Erfassung groBer Durchfl sse vorgesehen Verwenden Sie die Stahlkugel wenn diese beginnt ruhig zu schweben damit eine h here Messgenauigkeit erzielt wird Ma geblich bei der Ablesung ist die Mitte der Kugel 8 Trennen S e d e Last von der Brennstoffzelle Die Messung ist abzubrechen wenn die Spannung des Stacks unter 4 0 V sinkt oder die Temperatur ber 45 C steigt Messwerttabelle Hinweis Nehm
28. ere Anpassungen genutzt werden k nnen Die Verbrennung von reinem Wasserstoff bedarf gr erer Investitionen und durch die niedrigen Bezugspreise f r Erdgas ist die Wirtschaftlichkeit eines Wasserstoffbetriebes im Moment in Frage gestellt zittel 98 b Gasturbine Gasturbinen k nnen grunds tzlich auf Wasserstoffbetrieb umger stet werden Vergleichbar mit den Wasserstoffbrennern ist auch bei Gasturbinen ein Kombibetrieb mit Erdgas kosteng nstiger da keine aufwendigen Anlagenanpassungen vorgenommen werden m ssen Wasserstoffanteile bis 80 werden als unproblematisch angesehen Beim Einsatz von Wasserstoff in Gasturbinen ist die Schadstofffreiheit des Energietr gers von Bedeutung Verbrennungsr ckst nde und Aschepartikel die Ablagerungen und Korrosion an den Turbinenschaufeln verursachen k nnen entstehen m Gegensatz zu anderen fossilen Energietr gern bei der Verwendung von Wasserstoff nicht Dies wirkt sich positiv auf die Wartung und die Lebensdauer der Anlagen aus Die chemische und petrochemische Industrie Wasserstoffwirtschaft 25 nutzt bereits heute den als Koppelprodukt anfallenden Wasserstoff zur Stromerzeugung mit Gasturbinen zittel 98 c Gasmotor Konventionelle Motoren k nnen problemlos mit einem Wasserstoff Erdgas Gemisch betrieben werden Die Wirtschaftlichkeit eines reinen Wasserstoffbetriebes st noch nicht absehbar da die Technik noch einige Entwicklungsarbeit und hohe Investitionen bedarf Dem Vergleich zu a
29. finden also keine elektrochemischen Nebenreaktionen statt Alle Verluste an Wasserstoff werden den Undichtigkeiten des Systems zugeschrieben Das gilt auch f r den sogen Cross over Unter Cross over versteht man die Diffusion molekularen Wasserstoff durch den Membranelektrolyten hindurch auf die Sauerstoffseite der Brennstoffzelle Die Diffusionsrate ist abh ngig von der Druckdifferenz der beiden Gaselektroden der elektrischen Belastung der Brennstoffzelle und von der Art und Dicke der Membran Die Leckrate des Systems ist druckabh ngig und muss f r jeden Systemdruck neu bestimmt werden Bei korrekter Durchf hrung des Versuches sollten sich bei Dr cken unterhalb von 2 0 baras Leckraten nicht ber 15 ml min ergeben Sollte der Grenzwert berschritten werden besteht ein deutliches Leck im System und ein Weiterarbeiten ist erst nach Behebung der Leckage m glich Beschreibung der Messungen 87 8 4 Einflussgr en der Kennlinie Versuchsziel Bei dieser Anordnung werden in drei Teilversuchen unterschiedliche Spannung Strom Kennlinien aufgenommen Zun chst die schon aus Versuch 8 1 bekannte Bas skennlinie im normalen Betriebszustand Anschlie end werden die Betriebsparameter Innenwiderstand und Luftversorgung der Zellen variiert Der Versuch verdeutlicht die Einflussgr en auf die Kennlinie einer Brennstoffzelle Versuchsdurchf hrung Teilversuch A Bas skennlinie l Bauen Sie den Versuch nach Versuchsaufbau Al
30. llkommener Nebeneffekt um die Anlage wirtschaftlicher betreiben zu k nnen Das Hauptaugenmerk sollte auf die W rmeauskopplung aus dem System liegen Diese k nnte durch Wasserkreisl ufe mit eingef rbten Wasser rot warm blau kalt und elektrischen Pumpen nachgebildet werden Die Nutzung der elektrischen Energie sollte durch aussagekr ftige Verbraucher aus dem Bereich der Beleuchtungstechnik und Kommunikation dargestellt werden In Bereich der Privatkunden bietet sich weiterhin an die Anbindung der einzelnen Anlagen an ein zentrales EVU durch spezielle Leittechnik zu simulieren Dadurch k nnte die m gliche Entwicklung zu virtuellen Kraftwerken zum Ausgleich von Leistungsspitzen m Netzverbund nachgebildet werden Au ere Erscheinungsform Die einzelnen Module k nnten in einem offenen dreidimensionalen Korpus aus Leisten mit entsprechenden F hrungsnuten untergebracht werden Eine offen gehaltene Form l sst Einblicke aus mehreren Betrachtungswinkeln zu Um eine optische Trennung der einzelnen Module zu erreichen k nnten diese auf verschiedene Ebenen des Korpus verteilt werden Neben den Energienutzungsmodulen sollte auch die u ere Erscheinungsform des Pr sentationsmodells an die jeweilige Zielgruppe angepasst werden k nnen Dazu k nnen weitere Bauteile an die Seiten des zun chst neutralen Korpus angebracht werden Mit einem roten Hausdach k nnte ein Einfamilienhaus dargestellt werden oder das Anbringen eines Schornsteins l sst
31. oder Kohle dienen bei diesen Verfahren vornehmlich als Kohlenstofflieferant H ufig w rd der eingesetzte Prim renergietr ger aber auch zur notwendigen externen Energiezufuhr genutzt gibt einen berblick ber die konventionelle chemische Prozesstechnik Wasserstoffwirtschaft 11 kicht flichtige schwerfl chtige Brennstoffe Hrennsto ffe Erdgas chw eril E ohe Wass rstoff Abbildung 3 1 Konventionelle chemische Prozesstechnik Dampfreforming von Erdgas Das Dampfreforming ist eine endotherme katalytische Umsetzung von leichten Kohlenwasserstoffen wie z B Methan mit Wasserdampf In gro technischen Anlagen l uft diese Reaktion bei Temperaturen von 850 C und Dr cken von etwa 25 bar ab Als Reaktionsprodukt entsteht Kohlenmonoxid und Wasserstoff winter 89 Reaktionsgleichung C Hm n H20 gt n CO n m 2 H2 Gl 3 1 Das Verfahren ist technisch ausgereift und gro technische Dampfreforming Anlagen besitzen Kapazit ten von 100 000 Nm h Die Investitionskosten von Anlagen inkl Entschwefelung CO Konvertierung Reinigung und Restgasnutzung mit einer Jahreskapazit t von 800 Mill Nm a liegen bei ca 200 Mill DM Die Wasserstoffgestehungskosten errechnen sich zu rund 20 Pf Nm wobei die Prim renergiebezugskosten und die Personalkosten n der Berechnung ausschlaggebend s nd zittel 98 Partielle Oxidation schwerer Kohlenwasserstoffe Mit dem Texaco Verfahren kann aus Schwer l und R ckstands
32. sehr geringen Umfang Die Konversionsrate des Wasserstoffs l sst sich durch eine m glichst gro e Elektrodenoberfl che durch Optimierung der Transportwege der aktiven Reaktionspartner und durch Erh hung der Reaktionsgeschwindigkeit in den elektrochemischen Grenzschichten steigern Letzteres ist die Aufgabe der katalytischen Oberfl chen der Elektrode Je niedriger die Betriebstemperatur der Zelle desto wichtiger wird die katalytische Beschleunigung des Reaktionsvorgangs Bei sauren Elektrolyten k nnen nur Edelmetalle als Katalysator eingesetzt werden da s ch andere Materialien im Laufe der Zeit aufl sen w rden wurster 98 Brennstoffzellen 37 Allgemeine Reaktionsgleichungen der umgekehrten Elektrolyse Anode 2H gt 4 H 4e Gl 4 1 Kathode O 4 Ht 4e gt 2 HO Gl 4 2 An der Anode wird kontinuierlich Wasserstoff als Brenngas zugef hrt In Anwesenheit eines Katalysators wird dieser in Elektronen und Ionen gespalten Die Ionen wandern durch den Elektrolyten zur Kathode Bedingt durch die Potenzialdifferenz zwischen Anode und Kathode flie en die Elektronen ber einen externen Stromkreis Gleichstrom zur Kathode und k nnen dabei an einem Verbraucher elektrische Arbeit verrichten An der Kathode verbinden sich die Ionen und Elektronen mit Sauerstoff zu Wasser nrw 00 Der beschriebene Prozessablauf wird auch als kalte Verbrennung bezeichnet Abbildung 4 2 zeigt die chemischen Reaktionen in einer Brennstoffzelle am Bei
33. verbreitete Speicherung in Stahlflaschen der Fall ist schmidt2 00 In Wasserstoff in der Energiewirtschaft z ttel 96 ist eine umfangreiche Zusammenstellung der anwendbaren nationalen Regelwerke f r alle Bereiche der Wasserstoffwirtschaft aufgef hrt 3 2 Erzeugung von Wasserstoff In der Natur kommt der Energietr ger Wasserstoff nicht in ungebundener Form vor Er muss erst prozesstechnisch erzeugt werden Wasserstoff gilt somit als Sekund renergietr ger Die Produktion von Wasserstoff kann unter Verwendung von Prim r oder Sekund renergietr gern erfolgen Werden Prim renergietr ger wie Erdgas Kohle oder Erd l eingesetzt dienen diese als Kohlenstofflieferant und meist zugleich als externe Energiequelle Die Verwendung von Sekund renergietr gern wie Strom oder Methanol differenziert man weiterhin noch nach dem Ursprung des Sekund renergietr gers Der Bereitstellung dieser Energie k nnen ebenfalls Prim renergietr ger oder regenerative Energiequellen zu Grunde liegen In der Erzeugung von ungebundenen Wasserstoff unterscheidet man prinzipiell vier verschiedene Verfahren zittel 96 Konventionelle chemische Verfahren Elektrolyse Kreis und Hybridprozesse Biologische Prozesse 3 2 1 Konventionelle chemische Verfahren Die konventionellen chemischen Verfahren zur Produktion von Wasserstoff beruhen auf Redoxreaktionen in denen Wasser mit Kohlenstoff oder Kohlenmonoxid reagiert Die Prim renergietr ger w e Erdgas Erd l
34. von einem j hrlichen Bev lkerungs wachstum von ca 1 7 aus was bedeutet dass alle 10 bis 15 Jahre eine weitere Milliarde Menschen die Erde bewohnen werden Diese Daten und Prognosen werden eine zentrale Bedeutung f r die globale Energieversorgungsstruktur haben czak 99 Der wachsende Weltenergieverbrauch und die Endlichkeit der fossilen Energietr ger l sst die zeitliche Verf gbarkeit der foss len Energiequellen sinken Die Zahlen schwanken je nach Verfasser Annahmen und Intention der Prognose zwischen einigen Jahrzehnten und Jahrhunderten f r die jeweiligen Energietr ger Unabh ngig von genau prognostizierten Zahlen ist aber absehbar dass die Erd l und Erdgasressourcen die ersten sein werden die nicht mehr zur Verf gung stehen Die Reichweiten von Erdgas und Erd l liegen in der Gr enordnung von 50 Jahren Stein und Braunkohle sowie Uran weisen gr ere Reichweiten m Bereich von 100 b s 300 Jahren auf Die foss len Energiequellen werden zwar nicht in den n chsten Jahrzehnten versiegen trotzdem wird es schon in einem absehbaren Zeitraum zu einer Verknappung der Rohstoffe kommen Die globale Konzentration der Lagerst tten auf bestimmte meist politisch instabile Regionen birgt zus tzlich die Gefahr einer erh hten politischen und wirtschaftlichen Abh ngigkeit von diesen Regionen und k nnte s ch zu einem globalen Sicherheitsrisiko entwickeln Neben der abzusehenden Ressourcenknappheit werden sich die Menschen in den k
35. werden In dem realisierten Versuchsaufbau wird dies durch einen entsprechenden Druckminderer vgl Kapitel an der Wasserstoff Flasche erreicht Zus tzlich befindet sich an der Durchfluss Messeinheit ein S cherheitsventil welches sich bei zu gro en Dr cken ffnet Die am Ausgang des S cherheitsventils eventuell austretenden Wasserstoffmengen sind ber einen gasdichten Schlauch mit einem Abzug zu verbinden oder ins Freie zu leiten Montage der Gasleitungen Die Verbindungen f r die Gasversorgung werden mit einem speziellen gasdichten Schlauch mit einem Au endurchmesser von 1 8 Zoll ausgef hrt Der Anschluss an die entsprechenden Bauteile erfolgt ber Klemmringverschraubungen Die Montage der Verschraubungen ist wie folgt durchzuf hren 1 Die Vollst ndigkeit und die richtige Anordnung der Dichtelemente ist nach zu pr fen 2 Den Schlauch bis zum Anschlag in die Verschraubung einschieben 3 Die berwurfmutter handfest anziehen 4 Mit einem passenden Schl ssel wird die berwurfmutter genau 114 Umdrehungen angezogen Der Sechskant am unteren Teil der Verschraubung wird mit einem geeigneten Schl ssel gegen Verdrehen gesichert 5 Nach Abschluss der Montagearbeiten wird der Systemdruck eingestellt Alle Verschraubungen m ssen mit einem speziellen Leckagen Such Spray auf eventuelle Undichtigkeiten untersucht werden Abbildung 7 1 Aufbau einer Klemmringverschraubung helio2 99 Grundlegende Bedienungshinweise 72 7 1 2
36. wi LI I L drin Lul En u Abbildung 3 9 Geschlossener Energiekreislauf einer solaren Wasserstoffwirtschaft winter 97 Wasserstoffwirtschaft 34 bergansphase auf dem Weg zur solaren Wasserstoffenergiewirtschaft Der Weg zu einer solaren Wasserstoffwirtschaft ist gepr gt von technischen Barrieren und einer Blockade in der Akzeptanz dieser Technologie In den n chsten 20 30 Jahren wird Wasserstoff voraussichtlich nicht der Energietr ger Nr 1 werden Die fossilen Energietr ger werden den Markt weiter dominieren Allerdings geht heute schon die Tendenz in die Richtung kohlenstoff rmerer Prim renergietr ger wie Erd l und Erdgas F r den langen bergang zu einer Wasserstoffenergiewirtschaft besteht die Herausforderung aus Prim renergien fossile Energietr ger Biomasse Abfall etc C H O Verbindungen so zu konditionieren dass saubere Kohlenwasserstoffverbindungen Alkohole und auch Wasserstoff zur Verf gung stehen Die Nutzung von Biomasse und Abf llen wird f r den Massenmarkt keine ausschlaggebende Rolle spielen Die Umwandlung der erzeugten sauberen Sekund renergietr ger kann in Fahrzeugen und KWK Anlagen erfolgen Die Technologie der Brennstoffzellen wird hierbei eine zunehmende Bedeutung erlangen verdeutlicht eine m gliche bergangsphase zur einer solaren Wasserstoffwirtschaft gt 2000 Prim renergietr ger Yerfogbarkeii Konkitlonisrundg i GErOMErTeUgLeng Sekund renerglietr ger Aefo
37. 2000 Wozu eigentlich Wasserstoff Deutscher Wasserstoffverband e V Berlin 2000 Schmidtchen U DWV Information Nr 4 vom 18 Januar 2000 Wissen und Unwissen ber Wasserstoff Deutscher Wasserstoffverband e V Berlin 2000 Literatur schwarze 99 stadt 99 strup O0 sulzer 00 vaillant 00 vdew 99 wa tec weber 91 winter 89 winter 97 wurster 97 wurster 98 zittel 96 zittel 98 zsw 00 113 Schwarze R Vorlesungsscript Energiewirtschaft und recht FH Bielefeld 1999 Stadtwerke Bielefeld GmbH Energie f r das neue Jahrtausend Infobrosch re zur Hochtemperatur Brennstoffzelle Stadtwerke Bielefeld GmbH Bielefeld 1999 Strupeit L Perspektiven der Brennstoffzelle in der Hausenergie versorgung Studienarbeit FH Bielefeld Bielefeld 2000 Sulzer Hexis Ausz ge aus dem Internetauftritt www hexis com Sulzer Hexis AG Winterthur CH 2000 Vaillant Ausz ge aus dem Internetauftritt www vaillant del Vaillant Remscheid 2000 Vereinigung Deutscher Elektrizit tswerke Brennstoffzellen Eine Option f r EVU VDEW Frankfurt 1999 WA TEC Ingenieurb ro Martin Strippel Produktinformationen Darmstadt 2000 Weber R Der sauberste Brennstoff Der Weg zur Wasserstoff Wirtschaft Olynthus Verlag Oberb zberg 1991 Winter C J Nitsch J Hrsg Wasserstoff als Energietr ger Technik Systeme Wirtschaft Springer Verlag Berlin Heidelberg New
38. 4 13 Die Reaktionenthalp e und die freie Reaktionsenthalpe sind nur schwach temperaturabh ngig F r den theoretischen Wirkungsgrad ergibt sich ein linearer Temperaturverlauf Bei h heren Temperaturen nimmt der theoretisch m gliche Wirkungsgrad ab Aus thermodynamischen Gr nden sollten die Betriebstemperaturen der Zellen m glichst gering gehalten werden auch wenn bei einigen Zelltypen aus Gr nden der allgemeinen Prozessverbesserung eine Temperaturerh hung vorgenommen wird Abbildung 4 3 zeigt den Verlauf des theoretischen thermodynamischen Wirkungsgrades von Brennstoffzellen und des Carnot Wirkungsgrades von W rme Kraft Maschinen bei Temperaturerh hung Ein unmittelbarer Vergleich der beiden Wirkungsgrade zeigt dass erst bei Temperaturen von 1 100 K der Carnot Wirkungsgrad Werte der idealen Brennstoffzelle erreicht Bei niedrigeren Prozesstemperaturen liegen die theoretischen Wirkungsgrade der Brennstoffzellen m Vergleich deutlich h her Brennstoffzellen 40 Terah E Abbildung 4 3 Thermischer Wirkungsgrad und Carnot Wirkungsgrad bei Temperaturerh hung nrw 99 4 3 2 Spannungswirkungsgrad In der Praxis kann der maximale theoretische Wirkungsgrad nicht erreicht werden da die Reaktion irreversibel abl uft Ein Ma f r die Effizienz der elektrochemischen Energiewandlung ist der Spannungswirkungsgrad Nu Die freie Reaktionsenergie in Gleichung 4 10 wird auf der Grundlage der Kenntnisse ber den theoretischen Wirkungsgrad du
39. 6 bar L fterspannung 6 V Temperatur 27 5 C Berechnungen Durchfluss Vin INml min 0 41 G S Tas COAT Tas 085 725 038 096 0 36 0 93 o fosa T 1 Tabelle 8 7 Messwerttabelle zur Bestimmung der Systemwirkungsgrade bei autonomen Betrieb Auswertung 1 Bestimmen Sie mit Hilfe des Durchfluss Diagramms Abbildung 12 5 im Anhang aus der Position der Kugel und dem Systemdruck den Wasserstoff Durchfluss in Nml min f r die beiden Teilversuche 2 Errechnen Sie f r beide Teilversuche den Spannungswirkungsgrad Nnu l der Brennstoffzelle bezogen auf den Gesamteffizienz der Wasserstoff Sauerstoff Reaktion U ef Die Referenzspannung U r bezieht sich auf den unteren Heizwert von Wasserstoff und ergibt sich zu 1 254 V Zelle vgl Kapitel 4 3 2 7 Bestimmen Sie den Strom oder Faradaywi rkungsgrad n I f r beide Teilversuche Er ist das Verh ltnis aus dem gemessenen Strom und dem anhand des zugef hrten Wasserstoff Volumenstroms mit Hilfe des 1 Faradayschen Gesetzes berechneten theoretisch m glichen Strom Mit steigendem Strom n hert er sich dem Wert 1 an I 1 I i Ly VkF z th V n Wasserstoff Volumenstrom in l s Faraday Konstante 96 485 C mol Anzahl der Elektronen je Teilchenumsatz der Reaktion z 2 Molares Volumen bei 0 C 22 41410 l mol Anzahl der Zellen im Stack 10 mit N s Beschreibung der Messungen 93 8 F r beide Teilversuche ist der Energiewirkung
40. Aus den gemessenen und errechneten Daten kann die Spannungs Strom Kennlinie und die Leistungskurve graphisch erstellt werden Spannung Strom Kennlinie Abbildung 8 1 Spannung Strom Kennlinie Leistungskurve Abbildung 8 2 Leistungskurve Bei der Datenaufnahme sind Schwankungen in den absoluten Werten m glich Es sollten sich charakteristische Kennlinien ergeben wie sie in Abbildung 8 1 und Abbildung 8 2 zu sehen sind Interpretation Der Versuch zeigt dass bei kleinen Str men nahe dem Leerlauf die Spannung exponentiell f llt Hier bestimmen die katalytischen Vorg nge an den Elektroden den Verlauf der Beschreibung der Messungen 80 Spannung Bei mittleren bis gro en Str men bestimmt der Innenwiderstand der Brennstoffzelle die Kennlinie Es ergibt sich eine lineare Abh ngigkeit der Spannung vom Laststrom Je h her der Innenwiderstand desto steiler verl uft der lineare Teil der Kennlinie Bei gro en Str men sind vor allem die Zuf hrung und die Konzentration der Gase ausschlaggebend f r das Verhalten der Brennstoffzelle Bei zu geringer Versorgung der Zellen mit den Reaktionsgasen bricht die Spannung zusammen was sich in einem Abknicken der Kennlinie zeigt vgl Kapitel 4 4 Elektrodenkinetikf Variation In einer Variation des Experimentes kann die Auswirkung der L fterspannung auf die Kennlinie verdeutlicht werden Stellen Sie dazu die L fterspannung auf 0 5 V ein und wiederholen Sie den Versuch D
41. Bar Zentimeter pro Sekunde Quadratzentimeter pro Sekunde Deutsch Mark pro Kilowatt Deutsche Mak pro Kilowatt elektrisch Gramm pro Liter Gramm pro Mol Gramm Wasserstoff pro Liter Joule pro Kilogramm und Kelvin Kelvin Kilogramm pro Kilowatt Kilogramm pro Kubikmeter Kilojoule pro Kilogramm Kilometer pro Sekunde K lopascal Kilowatt Kilowattstunde Kilowattstunde pro Kilogramm Kilowattstunde pro Liter Kilowattstunde pro Normkubikmeter Liter pro Stunde Meter Kubikmeter Milliampere pro Quadratzentimeter Millijoule Megajoule pro Normkubikmeter Megawatt Milliwatt pro Quadratzentimeter Normkubikmeter bei Standardbedingungen Druck p 1013 kPa und Temperatur T 273 15 K 0 C Normkubikmeter pro Jahr Normkubikmeter pro Stunde Inhalt Pf kWh Pf Nm PJ ppm t d Vol vpm W cm Pfennig pro Kilowattstunde Pfennig pro Normkubikmeter Petajoule points per million Tonnen Tonnen pro Tag Volumenprozent value per million Watt pro Quadratzentimeter Einleitung l 1 Einleitung Der nationale und globale Energiemarkt unterliegt einer alle Bereiche umfassenden und in den letzten Jahren sich stetig ausweitenden Umstrukturierung Politische Entscheidungen wie der Ausstieg der Bundesrepublik Deutschland aus der Atomenergie auf nationaler Ebene die Entmonopolisierung der europ ischen Strom und Gasm rkte oder die Absichtserkl rungen internationaler Regierungsvertreter auf weltweiten Klimagipfeln sind ei
42. Das Maximum des Energiewirkungsgrades verschiebt sich in Teilversuch B zu gr eren Laststr men kennzeichnet den Verlauf des Systemwirkungsgrades Da der absolute Energieverbrauch der Peripherie ber den gesamten Lastbereich konstant ist nimmt dessen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad mit steigendem Laststrom ab Es ergibt sich eine Ann herung des Systemwirkungsgrades an 1 Beschreibung der Messungen 95 8 6 Maximale Leistung vs Optimaler Wirkungsgrad Versuchsziel Diese Messreihe hat das Ziel den Energiewirkungsgrad und die Leistung eines Brennstoffzellensystems aufzunehmen In einer graphischen Darstellung werden die beiden Parameter gegen bergestell um die Punkte des optimalen Wirkungsgrades und der maximalen Leistung im konkreten Anwendungsfall zu beurteilen Versuchsdurchf hrung l Bauen Sie den Versuch nach Versuchsaufbau Al Abbildung 12 1 im Anhang auf 2 Fahren Sie das System unter Beachtung der gesonderten Hinweise ordnungsgem an 3 ffnen Sie vorsichtig das Sp lventil am Stack f r ca 1 Sekunde um das System zu sp len 4 Stellen S e eine L fterspannung von 6 V ein 5 Betreiben Sie das System im Dead end Betrieb Stellen Sie den gew nschten Systemdruck ein empfohlener Mindestdruck 0 2 bar und notieren ihn in der Tabelle Beachten Sie die gesonderten Hinweise zu der Betriebsart Notieren Sie die Starttemperatur des Stacks 7 Trennen Sie die Last von der Brennstoffzelle Warten Sie 1 Minute und
43. Diplomarbeit Visualisierung eines Teilsystems der Energieversorgung auf Wasserstoffbasis am Beispiel eines Brennstoffzellen Versuchsaufbaus Michael Dammann Matr Nr 296541 August 2000 Fachhochschule Bielefeld Fachbereich Elektrotechnik Betreuende Dozenten Professor Dr Ing Rolf Schwarze Professor Dr Ing Gerhard Weber Inhalt Inhaltsverzeichnis 4 s ewandlung Inhalt Inhalt AFC ARGE BHKW C3Hg CGH CH CHy4 CO CO EIA EVU FH GE GH H H C Verh ltnis Ht H2 H20 HotElly Hrsg IEA IFC k A KOH KWK LH2 MCFC MEA Abk rzungsverzeichnis alkalische Brennstoffzelle alcailc fuel cell Arbeitsgemeinschaft Blockheizkraftwerk Canada Kohlenstoff Propan gasf rmiger Druckwasserstoff Schweiz Methan Kohlenmonoxid Kohlendioxid Deutschland Elektron Energy Information Administration Energieversorgungsunternehmen Fachhochschule General Electric gasf rmiger Wasserstoff Wasserstoff Wasserstoff Kohlenstoff Verh ltnis Wasserstoff Ion molekularer Wasserstoff Wasser Hochtemperatur Elektrolyse Herausgeber International Energy Agency Inernational Fuel Cell keine Angabe Kalilauge Kraft W rme Kopplung Fl ssigwasserstoff Schmelzkarbonat Brennstoffzelle molton carbonate fuel cell Membran Elektroden Einheit membrane electrode assembly Inhalt NEA NH O2 PAFC PEMFC PEV PKW SOFC Uni USA USV Netzersatzanlage Ammoniak Sauerstoff phospho
44. Handhabung der Zelle Beim Betrieb des Brennstoffzellen Stacks m ssen die folgenden Sicherheits und Bedienungshinweise beachtet werden e Der maximale Betriebsdruck des Stacks von 1 bar berdruck Anzeige des Manometers am Druckminderer oder 2 baras darf in keinem Fall berschritten werden Geeignete S cherungssysteme sind vorzusehen e Pl tzliche Druckst e sind zu vermeiden Die Membran ist empfindlich gegen zu hohe Dr cke Der Wasserstoff Druck sollte langsam auf den max mal zul ssigen Wert erh ht werden e Die Montagebolzen des Stacks d rfen nicht gel st werden Dies k nnte zu Undichtig keiten der Brennstoffzelleneinheit f hren e Der Stack vor allem der Katalysator und die Membran ist empfindlich gegen Staub und einer Reihe von chemischen Verunreinigungen wie Schwefelverbindungen Kohlenmonoxid Ammoniak Chlorverbindungen und verschiedenste L semittel Der Stack sollte nicht an Orten betrieben und gelagert werden an denen er mit diesen Stoffen in Ber hrung kommen k nnte Bei l ngeren Stillstandszeiten ist eine Lagerung im Originalkarton empfehlenswert e Die Brennstoffzellen erw rmen sich w hrend des Betriebes Die Stack Temperatur sollte mit einem Thermometer berwacht werden Die L ftersteuerung soll so eingeregelt werden dass eine Stack Temperatur von 45 C nicht berschritten wird e Die Einzelzellen des Stacks sind nach au en elektrisch nicht isoliert Zwischen den Zellen liegt eine Spannung an Die Zell
45. Messwerttabelle verzeichnet e Auswertung Unter diesem Punkt findet der Anwender eine Anleitung zur Auswertung der Versuchs reihe Falls m glich werden Diagramme der Messreihen erstellt welche charakteristisch f r den gew hlten Betriebszustand sind Bei kleinen Abweichungen der Parameter k nnen Schwankungen in den Ergebnissen auftreten Die dargestellten Kurvenverl ufe k nnen problemlos auf andere Betriebszust nde bertragen werden und sollen dabe als Orientierungshilfe dienen Weitere charakteristische Kurvenverl ufe finden sich auch in der vorausgegangenen theoretischen Bearbeitung des entsprechenden Versuchsziels e Interpretation Falls eine ausf hrlichere Interpretation der Versuchsreihe s nnvoll erscheint wird diese m letzten Gliederungspunkt gegeben Die Leistungsf higkeit des Brennstoffzellen Stacks steigt je h ufiger und l nger die Zellen in Betrieb sind So ver ndern sich ber die Lebensdauer der Brennstoffzellen kontinuierlich die Eigenschaften und die Betriebsparameter Bei l ngeren Betriebspausen trocknet die Membran der Zelle aus Im anschlie enden Betrieb wird die volle Leistungsf higkeit erst nach einiger Zeit erreicht Nach l ngeren Betriebspausen sollte das System vor Durchf hrung der Messungen einige Zeit betrieben werden um die Leistungsf higkeit der Zelle zu gew hrleisten Die verschiedenen Messanordnungen sind f r sich eigenst ndige Messungen und m ssen nicht systematisch der Reihenfolge nach a
46. NAN EE E HE ALL yt BEI EBEN a ih RU A a a E NE ee jii ii EN EN EN Di EE e E n E BERGE GEHN Da aa a N IL BBEBSRSESRERSESSEBBNES S t Pee ee O 6 O u iD 5 Durchfluss Diagramm HS0 iT 45 50 55 HD EE N 75 BO E5 SD 100 105 110 115 120 125 5 10 2 5 3 3 J pUN j Fanya Abbildung 12 5 Durchfluss Diagramm helio1 99 118 Kugelh he mm
47. Niebur mbH www niebur recklinghausen de e PHYWE Systeme GmbH G ttingen Versuchsst nde F r die ngenieurtechnische Ausbildung zuk nftiger Energietechniker an technischen Hochschulen und Fachhochschulen bieten 2 Hersteller Versuchsst nde an Diese Anlagen dienen neben der Ausbildung weiterhin als Demonstrationsobjekt zum Einsatz tortschrittlicher Technik und k nnen bei Entwicklungsarbeiten an Brennstoffzellen eingesetzt werden Die Anlagen sind mit PEM Brennstoffzellen ausgestattet die eine elektrische Leistung von 20 bis 500 W nach Bedarf auch mehr besitzen Im Leistungsbereich bis 100 W k nnen an den Versuchst nden elektrische Messungen zum Betriebsverhalten der Zelle und des Gesamtsystems vorgenommen werden Ab einer Leistung von 100W ist eine W rmeauskopplung und die Erstellung einer W rmebilanz m glich Die Wasserstoffversorgung der Versuchsst inde wird durch handels bliche Gasflaschen gew hrleistet Bei gr eren Systemen ist die Luftversorgung der Brennstoffzellen durch einen Verdichter oder ein Druckluftsystem zu sichern Die berschaubaren Abmessungen lassen eine Anwendung als Pr sentationsobjekt durchaus zu Die Kosten f r die Gesamtsysteme belaufen sich je nach Leistung auf 10 000 DM bis 70 000 DM Es errechnen sich Leistungspreise von 400 bis 150 DM W Kleinere Systeme sind durch den Aufwand der Peripherie vergleichsweise im Leistungspreis teurer Hersteller Heliocentris Energiesysteme GmbH Berlin www heliocentr
48. Witterungseinfl sse auf den Schadstoffaussto durch kalte oder warme Wintermonate werden in den schwankenden Zahlen der privaten Haushalte deutlich Die CO gt Probematik wurde 1992 auf dem Umweltgipfel in Rio de Janeiro erstmals weltweit diskutiert und eine Kl marahmenkonvention beschlossen Auf 5 weiteren Konferenzen Berlin 95 Genf 96 Kyoto 97 Buenos Aires 98 Bonn 99 wurde in z hen Verhandlungen versucht die 1992 verfasste Rahmenkonvention n konkrete Reduktionszahlen und ma nahmen umzusetzen Die ersten verbindlichen Reduktionsziele und zahlen f r die Hauptverursacher die Industriestaaten wurden 1997 n Kyoto beschlossen In diesem Zusammenhang hat sich die Bundesrepublik Deutschland zu einer Minderung des CO gt Aussto es um 25 zum Referenzjahr 1990 verpflichtet Neben den schon realisierten Senkungen muss Deutschland bis 2005 noch weitere 10 oder 100 Mio t Kohlendioxid einsparen um die eingegangene Verpflichtung zu erf llen Ein Vergleich der noch einzusparenden Menge an Emissionen mit den heutigen Emissionen der einzelnen Verbrauchssektoren soll die notwendige Anstrengung verdeutlichen Die Summe der noch zu realisierenden Einsparung liegt im Bereich von 1 3 der derzeitigen Kraftwerksemissionen der H lfte des Stra enverkehrs oder fast dem ganzen Segment der privaten Haushalte vgl Tabelle 2 1 Diese Reduktionen s nd nicht mehr nur durch eine Steigerung der Energieeffizienz und einer Entkarbonisierung n der Energiewir
49. ack NP 50 mit einer Nennleistung von 50 W zusammengestellt Die Stackspannung betr gt bei Nennleistung rund 4 5 V Das System arbeitet in einem Wasserstoff Luftbetrieb Als Brenngas wird Wasserstoff der Reinheit 4 0 gefordert und die Reinheitsstufe 5 0 empfohlen Als Oxidant wird Luftsauerstoff eingesetzt der ber zwei L fter an den Brennstoffzellen zugef hrt wird Um unverbrauchten Wasserstoff und inerte Gasverbindungen aus dem System zu entlassen ist am Stack ein Sp lventil angebracht welches in regelm igen Abst nden ge ffnet werden muss hel 10 2 99 Technische Daten Elektrische Nennleistung 50 W Maximale Leistung 60 W Leerlaufspannung 9 2 V Strom bei Nennleistung ca 10 A Spannung bei Nennleistung 4 5 V Maximaler Strom 15 A Wasserstoffverbrauch bei Nennleistung ca 725 Nml min maximaler Betriebsdruck 2 bar ps Zul ssige Umgebungstemperaturen 15 30 C Abmessungen Stack ohne L fter BxHxT 138 x 80 x 90 mm H he mit L fter 150 mm In Abbildung 6 5 st der Brennstoffzellen Stack NP 50 mit den 2 L ftern und dem Sp lventil zu sehen Die elektrische Leistung wird ber 2 Klemmen an den Seiten des Stacks abgegriffen Konzeption zum Aufbau eines Brennstoffzellenmodells 67 Abbildung 6 5 Brennstoffzellenstack NP 50 der Firma Helicentris L fterregelung Mit der Leistungsregeleinheit FP 50 werden die L fter am Brennstoffzellen Stack betrieben Die L fterregelung kann extern ber ein Netzteil oder mit eine
50. acks unter 4 0 V sinkt oder die Temperatur ber 45 C steigt Messwerttabelle Hinweis Nehmen Sie die Stromwerte bis auf 2 Kommastellen und den Wasserstoff Durchfluss bis auf einen 1 2 Teilstrich genau auf Systemdruck 0 6 bar L fterspannung 6 V Be Messungen Berechnungen Position Durchfluss Stahlkugel Vin Nml min Tabelle 8 4 Messwerttabelle zur Bestimmung der Leckrate des Systems Beschreibung der Messungen 86 Auswertung 1 Bestimmen Sie mit Hilfe des Durchfluss Diagramms Abbildung 12 5jim Anhang aus der Position der Kugel und dem Systemdruck den Wasserstoff Durchfluss in Nm min 2 Berechnen Sie f r die eingestellten Stromwerte den theoretisch notwendigen Verbrauch V n aus dem Faradayschen Gesetz unter der Annahme dass der Stromwirkungsgrad der Brennstoffzellenreaktion 1 sei n I V th F z mit V theoretischer Wasserstoff Volumenstrom in l s I gemessene Stromst rke in A F Faraday Konstante 96 485 C mol Anzahl der Elektronen je Teilchenumsatz der Reaktion z 2 Vm Molares Volumen bei 0 C 22 41410 l mol n Anzahl der Zellen im Stack 10 3 Bilden Sie f r die einzelnen Datenpunkte die Differenz aus dem tats chlichen und dem theoretischen Durchfluss 4 Errechnen Sie den ar thmetischen Mittelwert aus den einzelnen Differenzen Er ist ein Ma f r die Leckrate des Systems Interpretation Bei der Bestimmung der Leckrate wird die Annahme getroffen der Stromwirkungsgrad sei 1 Es
51. am Gesamtvolumen und f llt in die Kategorie Sonstige winter 97 Abbildung 3 5 zeigt den dominierenden Einfluss der fossilen Energietr ger bei der weltweiten Erzeugung von Wasserstoff In der Bundesrepublik Deutschland wird j hrlich eine Wasserstoffmenge von 19 Mrd Nm produziert Die Anteile der Chlor Alkal Elektrolyse liegen bei 4 5 D Erd l BE Erdgas O Kohle O Chlor Alkali Elektrolyse E Sonstige Abbildung 3 5 Globale Erzeugung von Wasserstoff nach Energietr gern winter 97 3 6 2 Verwendung Welt Von den weltweit anfallenden 500 Mrd Nm Wasserstoff werden allein 46 nicht energetisch f r die Ammoniak und Methanolsynthese ben tigt Die Synthesestoffe flie en gr tenteils n die D ngemittel oder Kunststoffproduktion ein 20 werden indirekt energetisch in der Petrochemie zur Veredelung von Energietr gern eingesetzt Einer energetischen Verwendung werden weltweit nur ca 28 des Volumens zugef hrt In diesem Segment wird der Wasserstoff zum gr ten Teil durch Verbrennung in W rme umgewandelt Abbildung 3 6 zeigt die mondialen Anwendungsbereiche von Wasserstoff Wasserstoffwirtschaft 30 B Ammoniak Methanol E Prozessw rme O Petrochemie O Sonstige Abbildung 3 6 Weltweite Verwendung von Wasserstoff verschiedener Sektoren winter 97 Deutschland Das j hrliche Wasserstoffaufkommen in Deutschland liegt bei rund 20 Mrd Nm zittel 98 Das entspricht rund 5 des Erdgasaufko
52. ang kann unter Hinzuziehung des Systemdrucks die Position der Kugel in einem Wasserstoff Volumenstrom umgerechnet werden Um die Ablesegenauigkeit zu erh hen sind im Glasrohr zwei Kugeln enthalten Eine schwarze Glaskugel zur Bestimmung kleiner Durchflussmengen und eine metallisch gl nzende Stahlkugel f r gr ere Durchfl sse Die Bestimmung des Wasserstoff Volumenstroms ist stark vom Systemdruck abh ngig Aus diesem Grund ist die Verwendung eines hochwertigen Druckminderers mit kleiner Manometerteilung und die genaue Justierung des Betriebsdrucks f r die Genauigkeit der Durchflussmenge ausschlaggebend An der Eingangsverschraubung der Gasversorgungs und Messeinheit ist ein Sicherheitsventil angebracht welches bei berschreitung des maximalen Betriebsdrucks von 2 bar p den bersch ssigen Wasserstoff abl sst helio 00 Konzeption zum Aufbau eines Brennstoffzellenmodells 70 Technische Daten vorgesehene Gasart trockener Wasserstoff Messbereich der schwarzen Glaskugel 350 Nml min bei 2 bar Messbereich der metallischen Stahlkugel 900 Nml min bei 2 bar Messgenauigkeit 2 vom Maximalwert Temperaturbereich f r den Betrieb 15 30 C Abbildung 6 9 Gasversorgungs und Messeinheit HC 50 der Firma Heliocentris Messung elektrischer Gr en Um die elektrischen Parameter Spannung und Strom zu messen k nnen handels bliche Digitalmulimeter eingesetzt werden Der Spannungsmessbereich sollte f r Gleichspannungen bis 15 V und der St
53. as Ergebnis sollte eine Kennlinienform zeigen wie sie in Abbildung 8 3 dargestellt ist In Folge der mangelnden Sauerstoffversorgung der Kathode bricht die Spannung bei h heren Str men zusammen Die Kennlinie knickt nach unten ab Systemdruck 0 6 bar L fterspannung 0 5 V Tabelle 8 2 Messwerttabelle zur Kennlinienbestimmung in der Variation Spannung Strom Kennlinie oO O N O A VO N 9 Abbildung 8 3 Spannung Strom Kennlinie bei verminderter L fterspannung Beschreibung der Messungen Sl 8 2 Wirkungsgradbestimmung Versuchsziel Ziel dieser Messung ist den Spannungs Strom und Energiewirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellensystems zu bestimmen Weiterhin wird der Stromwirkungsgrad des Brenn stoffzellenstacks ermittelt Dazu ist allerdings das Ergebnis f r die Leckrate des Systems aus Versuch erforderlich Anschlie end werden die Verl ufe der Einzelwirkungsgrade graphisch dargestellt Versuchsdurchf hrung l Bauen Sie den Versuch nach Versuchsaufbau Al Abbildung 12 1 im Anhang auf 2 Fahren Sie das System unter Beachtung der gesonderten Hinweise ordnungsgem an 3 ffnen Sie vorsichtig das Sp lventil am Stack f r ca 1 Sekunde um das System zu sp len 4 Stellen S e eine L fterspannung von 6 V ein 5 Betreiben Sie das System m Dead end Betrieb Stellen Sie den gew nschten Systemdruck ein empfohlener Mindestdruck 0 2 bar und notieren ihn in der Tabelle Beachten Sie die gesond
54. at eine elektrische Ausgangsleistung von 50 W und wird ber eine Druckgasflasche mit Wasserstoff der Reinheit 5 0 versorgt Durch den modularen Aufbau des System kann es problemlos je nach Anwendungszweck in unterschiedliche Versuchs oder Pr sentationsaufbauten integriert werden Allerdings l sst sich auf Grund der geringen Leistung und des einfachen Aufbaus keine W rmebilanz erstellen Die Kosten liegen m untersten Bereich f r Versuchsst nde und die Leistungspreis der Zelle liegt trotz der relativ geringen Leistung mit 200 DM W im Mittelfeld verf gbarer Systeme Die Bausteine des Versuchsstandes wurden auf der Didacta Fachmesse f r Lehre und Ausbildung in K ln und auf der Industriemesse in Hannover in Augenschein genommen und f r geeignet befunden 6 4 Konzeptioneller Aufbau Das Konzept des Brennstoffzellenmodells verfolgt das Ziel den Kernbereich einer Wasserstoff Energiewirtschaft zu visualisieren Grunds tzlich l sst sich die Versuchsanordnung in drei Teilbereiche gliedern e Energiespeicherung e FEnergieumwandlung e Energieanwendung Das Segment der Energiespeicherung besteht aus einer Druckflasche mit Wasserstoff einem Druckminderer und optional einem Metallhydridspeicher Die chemische Energieumwandlung findet in einem Brennstoffzellen Stack statt Der Bereich der Energieanwendung setzt sich aus mehreren Elementen zusammen Zur Realisierung eines netzunabh ngigen Betriebes kann die Luftversorgung der Zelle ber einen G
55. aus wesentlich schneller anzufahren Generell sollten Brennstoffzellen aber permanent auf Arbeitstemperatur gehalten werden und im Grundlastbetrieb laufen heim 99 Modularit t Durch den vollst ndig modularen Aufbau des Zellblocks k nnen theoretisch nahezu alle geforderten Leistungen abgedeckt werden Allerdings werden aus Gr nden der technischen und wirtschaftlichen Umsetzung Unter und Obergrenzen f r die Modulleistung der einzelnen Zelltypen angegeben vgl Tabelle 4 1 Aus den meist schon vorgefertigten Modulen k nnen wiederum gr ere Kraftwerksleistungen problemlos zusammengesetzt werden Die Modulbauweise berzeugt durch eine hohe Flexibilit t und l sst sich ohne gro e bauliche Ver nderungen an die Bed rfnisse der Kunden anpassen Sowohl Erweiterungen als auch Reduzierungen der Kraftwerksleistung sind in kurzen Zeitr umen und mit berschaubaren Investitionen realisierbar Die Modular t t von Brennstoffzellensystemen ist eine gute Ausgangsposition f r die Anwendung in der dezentralen Energieerzeugung heim 99 Geringer zu erwartender Wartungsaufwand Wartungsarbeiten sind nur an den peripheren Einrichtungen der Brennstoffzellenanlage m glich und notwendig Erfahrungen ber die n tigen Wartungsintervalle und ma nahmen der Peripherie sind aus der konventionellen Wasserstoff und Gastechnik bereits vorhanden Der Zellblock unterliegt keiner Wartung Am Ende der Lebensdauer wird dieser durch einen neuen Block ausgetausch
56. bereitung Die PEM Zelle stellt hohe Anspr che an die Reinheit des Brenngases Kohlenmonoxid fungiert als Katalysatorgift und wird nur in geringen Mengen maximal bis 100 ppm toleriert nrw 00 Der maximal zul ssige Schwefelgehalt liegt bei kleiner 1 ppm nrw 00 Weiterhin sind Stickstoff N2 Kohlendioxid CO2 und Methan CH3 tolerierte inerte Verbindungen im Brenngas Bei der Verwendung von kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen ist eine Brenngasaufbereitung notwendig die aus verfahrenstechnischer Sicht problemlos realisierbar ist Die System Komponenten haben aber einen zus tzlichen Raumbedarf verlangen nach weiteren Investitionen und senken letztlich den Systemwirkungsgrad Eine Weiterentwicklung der PEMFC ist die Direktmethanol Brennstoffzelle DMFC die an dieser Stelle aber nicht weiter betrachtet werden soll PEM Zelle 55 5 2 4 Leistungsdaten Die Spannung einer Zelle liegt je nach Stromfluss zwischen 0 9 und 0 5 V heliol 99 Die Fl chenleistung erreicht mit Werten bis zu 1 W cm bei einer Stromdichte von 2 A cm und der Verwendung von Luft als Oxidant die h chsten Werte aller Zelltypen Mit reinem Sauerstoff als Oxidant lassen sich die Werte nahezu verdoppeln ledjeff 95 Die hohe Leistungsdichte wird insbesondere durch die gute Leitf higkeit des Elektrolyten erreicht heliol 99 Der Leistungsbereich derzeit verf gbarer PEMFC Anlagen geht von kleinsten Leistungen im Wattbereich bis zu 300 KW Die guten Kaltstarteigensc
57. bgearbeitet werden sondern k nnen auch punktuell ausgew hlt werden Gerade bei den umfassenderen Messungen kommt es vor dass s ch Te lmessungen aus den vorangegangenen Messaufbauten wiederholen Zur Einarbeitung empfiehl es sich die Messungen der Reihenfolge nach abzuarbeiten Bei einer sp teren Vermittlung des Wissens z B n Praktika st vor dem Hintergrund der begrenzten Zeit eine Auswahl oder Kombination der Versuche vorzunehmen Diese kann aber erst nach Absprache der konkreten Ausrichtung des praktischen Teils des Wissenstransfers erfolgen und ist bei Kenntnis der gesamten Versuchsreihe beliebig var erbar Beschreibung der Messungen 18 8 1 Messung von Kennlinien der Brennstoffzelle Versuchsziel Mit diesem Versuchsaufbau werden die grundlegenden charakteristischen Kennlinien eines Brennstoffzellenstacks erarbeitet Die Spannung Strom Kennlinie soll aufgenommen und aus den gemessenen Werten f r Spannung und Strom kann anschlie end die Leistungskurve der Brennstoffzellen ermittelt werden vgl Kapitel 4 5 Versuchsdurchf hrung l Bauen Sie den Versuch nach Versuchsaufbau Al Abbildung 12 1 m Anhang oder alternativ ohne Durchflussmesser und Si cherheitsventil nach Versuchsaufbau A2 Abbildung 12 2 im Anhang auf 2 Fahren Sie das System unter Beachtung der gesonderten Hinweise ordnungsgem an 3 ffnen Sie vorsichtig das Sp lventil am Stack f r ca 1 Sekunde um das System zu sp len nur bei Dead end Betrieb
58. ch 96 helio1 99 NG AH Qe AH TAS Gl 4 4 F r die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser ergeben sich f r die Reaktionsenthalpie und die freie Reaktionsenthalpie bei Standardbedingungen folgende Werte helio1 99 Reaktion 2H gt O H2O AH 242 0 kJ mol A G 237 3 kJ mol Die Wasserstoff Sauerstoff Reaktion besitzt eine negative Entropie nderung Ist der Wert der freien Reaktionsenthalpie A G weniger negativ als die Reaktionsenthalpie AH verl uft die Reaktion exotherm Findet die Reaktion als Verbrennung statt wird die Reaktionsenthalpie vollst ndig in W rme umgewandelt AH Q Gl 4 5 Bei der elektrochemischen Reaktion steht W in Gleichung 4 3 f r die Summe aus Volumenarbeit und die von den wandernden Elektronen verrichtete elektrische Arbeit Wa W Wa PAV Gl 4 6 Wa n F rev K Orev A Gl 4 7 mit n Anzahl der Elektronen F Faraday Konstante 96 487 C mol Der Term rev K Prev a beschreibt die Potenzialdifferenz zwischen Anode und Kathode und wird als reversibles Standardpotenzial oder theoretische Gleichgewichtsspannung Ubrev bezeichnet Aus Gleichung 4 3 4 4 und 4 7 ergibt sich f r die freie Reaktionsenthalpie A G der elektrochemischen Reaktion und somit f r die Gleichgewichtsspannung AG nF Prev K Prev a Gl 4 8 NG nF U Gl 4 9 Brennstoffzellen 39 Die Brennstoffzelle st bei reversibler Reaktionsf hrung n der Lage die freie Reaktionsentha
59. chst nde in Frage kommen Die Alternative der Eigenkonstruktion wurde aufgrund nicht vorhandener Bezugsquellen der Bauteile aus Serienfertigungen den hohen Kosten f r die Einzelanfertigungen der Bauteile und nicht zuletzt aus mangelnder Erfahrung mit den Systemkomponenten ausgeschlossen Bei der Auswahl eines geeigneten Systems dienten die folgenden Auswahlkriterien als Entscheidungshilte e Elektrische und thermische Messungen Das System soll die M glichkeit bieten unterschiedliche elektrische Messungen zur Kennlinienerstellung und Wirkungsgradbestimmung durchzuf hren Dar ber hinaus ist eine W rmeauskopplung zur Erstellung einer W rmebilanz des Systems vorzusehen e Geeignete Leistung zur Pr sentation Die elektrische Leistung der Brennstoffzelle muss es erlauben in der Pr sentation ad quate Verbraucher anschlie en zu k nnen Die M glichkeit einer attraktiven Umsetzung des Pr sentationsmodells darf nicht durch mangelnde Leistung der Zelle begrenzt werden e Brennstoffversorgung Die Gasversorgung des Systems soll ohne gro en technischen und sicherheitstechnischen Aufwand realisierbar sein Dazu muss die Transportierbarkeit der Gasversorgung gew hrleistet sein Gleiches gilt auch f r die Versorgung der Brennstoffzelle mit dem Oxidanten e Leichte Handhabung Das System soll nach einer ausreichenden Unterweisung auch f r fachferne oder fachfremde Bediener problemlos in Betrieb genommen werden k nnen e Robustheit des Systems Dem
60. cht als ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff Vielmehr wird die Qualit t des Wasserstoffgases durch die Nachbehandlung verbessert Dem meist schon konvertierten Gas wird abschlie end durch Adsorption oder Membranabtrennung das Kohlendioxid entzogen Eine zus tzliche Reinigungsstufe entfernt weitere unerw nschte Bestandteile aus dem Wasserstoff Das brennbare Ausschussgas kann zusammen mit einer Teilmenge des Eingangsprim renergietr gers zur Befeuerung der Anlage eingesetzt werden Die Kosten der Konvertierung und Nachbehandlung des Wasserstoffs sind bereits in die angegebenen Anlageninvestitionskosten implementiert Wasserstoffwirtschaft 13 Entwicklungen im Bereich der konventionelle chemische Verfahren a Kvaerner Verfahren Die KVAERNER ENGENIEERING S A aus Norwegen entwickelt seit den achtziger Jahren ein Verfahren zur CO gt freien Herstellung von Aktivkohle und Wasserstoff Bei einer Temperatur von 1 600 C trennt ein Plasmaprozess unter Einwirkung von Strom und K hlwasser Kohlenwasserstoffe wie Erdgas oder l in Aktivkohle und Wasserstoff Als Nebenprodukt f llt noch Hei dampf an Bei dem Verfahren findet ein nahezu vollst ndiger Materialumsatz statt so dass keine nennenswerten Emissionen auftreten Das Kvaerner Verfahren befindet sich noch in der Pilotphase In der weiteren Entwicklung ist ein modularer Aufbau einer gro technischen Anlage mit einer Jahreskapaz t t von 6 Mill Nm a Die Investitionskosten dieser A
61. die Assoziation zu einem Fabrikgeb ude zu Kommunikation Zur Kommunikation der Inhalte st eine Darstellung der technischen Grundlagen und der Anwendungsfelder spezifisch f r jede Zielgruppe vorzusehen Jeweils ein Plakat auf einer Stellwand k nnte das eigentliche Pr sentationsmodell einrahmen Zur weitergehenden Vertiefung des Wissens und um eine sp tere Kontaktaufnahme zu erm glichen sollte ein Flyer entworfen werden In diesem Flyer k nnen die gezeigten Inhalte nochmals kurz vermittelt werden F r den Betreuer des Modells ist ein Leitfaden mit dem komprimierten Wissen zur Brennstoffzellen Technologie sinnvoll um konkrete tiefergehende Fragen beantworten zu k nnen Zusammenfassung und Ausblick 109 10 Zusammenfassung und Ausblick Diese Arbeit liefert den Grundstein f r eine Implementierung der Brennstoffzellen Technologie n die Ingenieurausbildung an der Fachhochschule Bielefeld Das erarbeitete Wissen kann im Fachbereich Elektrotechnik besonders im Hinblick auf die Studienrichtung Regenerative Energien als auch im Fachbereich Maschinenbau Anwendung finden Die vorliegende Arbeit setzt die ausbildungsorientierte Anwendung des Brennstoffzellen Modells um Im ersten Teil der Arbeit werden Grundlagen zum Energietr ger Wasserstoff und eine Charakterisierung der heutigen Wasserstoffwirtschaft erarbeitet Der Stand der derzeitigen DBrennstoffzellen Technologie insbesondere die PEM Brennstoffzelle wird vorgestellt Im anschlie e
62. dungen wie Wasser S uren organischen Stoffen oder Mineralien auf Wasserstoff Verbindungen sind in nahezu unbegrenzten Mengen auf der Erde vorhanden Aus den Verbindungen k nnen Wasserstoffmolek le H2 herausgel st werden Unter Normalbedingungen ist Wasserstoff ein farb geruchs und geschmackloses Gas Es ist ungiftig und nur seine Eigenschaft Sauerstoff zu verdr ngen stellt f r den Menschen eine unmittelbare Gefahr dar Das Gas ist aufgrund seiner geringen Dichte ca 14 mal leichter als Luft und steigt schnell n h here Luftschichten auf In sind einige wichtige physikalische und chemische Kennzahlen von Wasserstoff und vergleichbaren Brenngasen dargestellt Eigenschaft Einheit Wasserstoff Methan Propan Erdgas Dj Siedepunkt bei 1 013 bar Kritischer Punkt So o bar bar o kWhlkg 33 33 1390 12 88 MiUNm 10 783 35882 93 215 SA O Ww 3941 1542 14 00 O 1M Nm 12 745 39 819 101 242 O kWi Nm 3509 11 061 28 123 Tabelle 3 1 Physikalische und chemische Kennzahlen schmidt1 00 linde2 00 g J Nm j 3 kWh Nm 2 995 9 968 25 893 2 gt J Nm i Wasserstoffwirtschaft 7 3 1 2 Energetische Eigenschaften Wasserstoff als Energietr ger tritt in Konkurrenz zu den bereits schon lange Zeit eingesetzten Energietr gern w e Erdgas Propan oder konventionellen Treibstoffen In den Anwendungs gebieten der jeweiligen Energietr ger sind die gewichts und volumenspezifischen Energiedichte
63. dverbraucher wird der Wasserstoff n einer dem Erzeugungsprozess folgenden Reinigungsstufe nachbehandelt Die Reinigungsstufe entfernt in erster Linie die Produkte der unvollst ndigen Reformierung wie CO H20 O2 NH und CO2 Je nach Anwendungszweck wird Wasserstoff in den verschiedensten Reinheiten im Gashandel angeboten gibt Aufschluss ber die angeboten Reinheitsstufen und die Grenzwerte der dar n zul ssigen Nebenbestandteile Die Reinheiten 5 3 5 6 und 6 0 werden mit einem Zertifikat ausgeliefert welches die Einhaltung der Grenzwerte f r die Nebenbestandteile best tigt Wasserstoff Gasbezeichnung 3 0 3 8 Oo do o o EEE DE gt gt gt 9 o Reinheiten gt 099 9 299 98 gt 99 999 gt 99 9993 9 9996 gt 99 9999 Nebenbestandteile a in vpm lt 10 lt 2 er 3 8 lt 10 N HO lt 100 lt 20 lt 5 lt 05 lt 02 lt or Tabelle 3 6 Angebotene Reinheiten von Wasserstoff linde 1 00 5 3 5 0 lt 1 lt 0 7 lt 3 lt 1 lt 2 lt 1 lt 0 2 lt 0 1 5 0 lt 2 lt 3 lt 5 Verdichtung Eine Verdichtung von Wasserstoff kann analog zur Erdgaskomprimierung erfolgen Die Kompressoren m ssen nur durch geeignete Dichtungen aus Teflon dem Wasserstoffeinsatz angepasst werden Die zur Verdichtung erforderliche Arbeit bei isothermer Verdichtung errechnet sich aus kuch 96 Wiin m Rp T In p p Gl 3 6 mit Win isotherme Verdichtungsarbeit m Masse des Gases Rp2 Spezielle Gaskonsta
64. e Hinweis Nehmen Sie die Strom und Spannungswerte bis auf 2 Kommastellen und den Wasserstoff Durchfluss bis auf einen Teilstrich genau auf Beschreibung der Messungen 82 Systemdruck 0 6 bar L fterspannung 6V Messungen Berechnungen Nu NI Sys 150 677 660 205 110 055 095 052 20 201 655 83 0 290 150 0 53 09 049 40 400 602 120 0 605 305 0 49 0 91 0 45 0 95 60 600 563 820 440 046 0 95 0 44 0 98 80 800 525 1020 590 0 43 0 95 0 41 0 97 10 0 10 00 482 1160 710 0 39 0 98 0358 1 420 1199 448 los I Tabelle 8 3 Messwerttabelle zur Wirkungsgradbestimmung Auswertung 1 Bestimmen Sie mit Hilfe des Durchfluss Diagramms Abbildung 12 5jim Anhang aus der 2 Position der Kugel und dem Systemdruck den Wasserstoff Durchfluss in Nml min Errechnen Sie den Spannungswirkungsgrad nu I der Brennstoffzelle bezogen auf die theoretische Gleichgewichtsspannung der Wasserstoff Sauerstoff Reaktion pos ref Die Referenzspannung Uef entspricht dabei der theoretischen Gleichgewichtsspannung der Wasserstoff Sauerstoff Reaktion von 1 23 V Zelle Interessiert hingegen die energetische Gesamteffizienz des Prozesses bezieht man sich auf den Heizwert von Wasserstoff dem eine Referenzspannung von 1 254 V Zelle f r den unteren Heizwert bzw 1 482 V Zelle f r den oberen Heizwert entspricht vgl Kapitel 4 3
65. e Nr 1 00 Deutscher Wasserstoffverband Berlin 2000 Deutscher Wasserstoffverband DWV Wasserstoff Spiegel Neues vom Wasserstoff Ausgabe Nr 7 97 Deutscher Wasserstoffverband Berlin 1997 Deutscher Wasserstoffverband DWV Wasserstoff Spiegel Neues vom Wasserstoff Ausgabe Nr 04 99 Deutscher Wasserstoffverband Berlin 1999 Literatur dwv 0499 dwv 0597 euro 00 fette 96 fhg 00 franz 98 gfe 00 heim 99 hein 96 helio 00 helio1 99 helio2 99 h tec 00 kuch 96 ledjeff 95 111 Deutscher Wasserstoffverband DWV Wasserstoff Spiegel Neues vom Wasserstoff Ausgabe Nr 04 99 Deutscher Wasserstoffverband Berlin 1999 Deutscher Wasserstoffverband DWV Wasserstoff Spiegel Neues vom Wasserstoff Ausgabe Nr 5 97 Deutscher Wasserstoffverband Berlin 1997 Eurotest Systemelektronik GmbH Bedienungsanleitung Elektronische Last ELP SL 100 Eurotest Systemelektronik GmbH Altlu heim 2000 Fette M Schwarze R Vo J Hrsg Energieversorgung der Zukunft vde Verlag Berlin Offenbach 1996 Frauenhofer Gesellschaft f r solare Energiesysteme Ausz ge aus dem Internetauftritt www fihg de 2000 Franz Vorlesungsscript Dezentrale Energieversorgung Wasserstoff technik FH Bielefeld 1998 GfE Metalle und Materialien GmbH Produktinformationen ber die Metallhydridtechnologie GIE Metalle und Materialien GmbH N rnberg 2000 Heiming A Uhri
66. eaktionsenthalpie AH auch der Heizwert Hu oder je nach Anwendungsfall auch der Brennwert Ho verwendet werden Durch Verwendung der Gleichung 4 9 zur Bestimmung der elektrischen Spannung ergibt sich Nu Ur Up GI 4 15 F r Up ergeben sich unter Einbeziehung des Heiz bzw Brennwertes und der molaren Masse von Wasserstoff vgl Tabelle 3 1 Gleichgewichtsspannungen von Heizwert Hy 119 972 kJ kg 241 9 kJ mol Brennwert Ho 141 890 kJ kg 286 1 kJ mol Um 1 254 V Um 1 482 V 4 3 3 Stromwirkungsgrad Der Stromwirkungsgrad oder Faradaywirkungsgrad integriert die Verluste durch unvollst ndige Brennstoffausnutzung n die Wirkungsgradbetrachtung Die Verluste treten vor allem infolge von elektrochemischen Nebenreaktionen und Undichtigkeiten auf Der Stromwirkungsgrad st das Verh ltnis des gemessenen Stroms zu dem anhand des zugef hrten Wasserstoffvolumenstroms mit Hilfe des 1 Faradayschen Gesetzes berechneten theoretisch m glichen Stroms In n 1 In Gl 4 16 In V Fz Vun Gl 4 17 mit V Wasserstoff Volumenstrom in l s F Faradaykonstante 96485 C mol z Anzahl der Elektronen je Teilchenumsatz der Reaktion z 2 Van Molares Volumen bei 0 C in Umol Im Normzustand p 101 325 kPa T 273 15 K besitzt die Stoffmenge 1 mol eines jeden Gases das gleiche Volumen Man nennt es molares Normvolumen V n 22 41410 Umol kuch 96 n Anzahl der Zellen im Stack Brennstoffzellen 42 4 3 4 Gesamtwirkungsgrad Der Gesamt
67. eicherung des ben tigten Wasserstoffs kommt eine handels bliche 10 Liter Druckgasflasche zum Einsatz Bei einem F lldruck von 200 bar betr gt der Inhalt der Flasche 1 8 Nm Wasserstoff Der Au endurchmesser der Flasche betr gt 140 mm bei einer L nge mit Kappe von 970 mm Das Gesamtgewicht mit F llung bel uft sich auf 16 kg Der Druckspeicher wird vom Lieferanten aus dem Bereich Gashandel gemietet und wird bei vollst ndiger Entleerung gegen eine gef llte Flasche ausgetauscht Kennzeichnung Flaschenfarbe Rot RAL 3002 Pr gung Wasserstoff Aufkleber Angabe der Produktbezeichnung z B Wasserstoff 5 0 Kennstreifen Banderole um die Flaschenkappe Konzeption zum Aufbau eines Brennstoffzellenmodells 65 Druckminderer Um den Flaschendruck von 200 bar auf den max mal zul ssigen Arbeitsdruck der Versuchsanordnung von 1 bar zu reduzieren ist ein Druckminderer an der Wasserstoffflasche notwendig Der Druckminderer FMD 302 14 der Firma Linde entspricht den gestellten Anforderungen Abbildung 6 2 zeigt den ausgew hlten Modelltyp FMO 3092 14 Abbildung 6 2 Druckminderer FMD 302 14 der Firma Linde linde2 00 Die typischen Anwendungsbereiche des Druckminderers FMD 302 erstrecken sich von der Analysentechnik bis zu allgemeinen Laboranwendungen Der Membrandruckminderer mit einem Hinterdruckbereich von 0 2 bar ist f r nicht korrosive Gase bis Reinheit 5 0 zugelassen Die zweistufige Ausf hrung gew hrleistet einen konstanten Hint
68. ekt energetische Nutzung Fossile Energietr ger wie Erd l Schwer l und Kohle werden zu marktf higen Produkten wie Benzin oder Gas veredelt Die Einbringung von Wasserstoff als zus tzlichen Energietr ger erh ht das Wasserstoff Kohlenstoff Verh ltnis H C Verh ltnis und damit den Enersgieinhalt des Produktes Weiterhin wird Wasserstoff zur Reinigung der fossilen Rohstoffe von Schwefel Stickstoff und Schwermetallen als Reduktionsmittel eingesetzt winter 89 Wasserstoffwirtschaft 24 Hydrierende Raff nerieverfahren Durch Raff nation von Schwer l und Erd l werden leichte Heiz le und Kraftstoffe gewonnen Beim Hydrotreating werden unter der Zugabe von Wasserstoff Verunreinigungen wie Schwefel Stickstoff und metallische Verbindungen aus dem Roh l herausgefiltert Die Verunreinigungen w rden in der sp teren Verbrennung der Raffinerieprodukte zu erheblichen Schadstoffbelastungen f hren Das Hydrocracken ist ein Verfahren um bei Einbringung von Wasserstoff aus schweren Roh len und lsanden leichte Raffinerieprodukte zu gewinnen Die zunehmende Ersch pfung der Reserven an leichten Roh len wird dieses Verfahren in Zukunft an Bedeutung gewinnen lassen winter 89 Hydrierende Kohleveredlung Eine Umwandlung von Kohle in synthetische Kohlenwasserstoffe ist technisch m glich Diese hochwertigen Kohlenwasserstoffe dienen der chemischen Industrie als Grundstoff und als Energietr ger S mtliche aus Erd l und gas erzeugten Produk
69. ellen BINE Projekt Info Service BINE Informationsdienst Bonn 1999 Birol F Keppler J H IEA Weltenergieprognose 1998 Energiewirt schaftliche Tagesfragen 49 Jg Heft 10 S 651 ff Paris 1999 BMFT Solare Wasserstoffenergiewirtschaft Ad hoc Ausschuss beim Bundesminister f r Forschung und Technologie Gutachten und wissenschaftliche Beitr ge Bundesministerium f r Forschung und Technologie Bonn 1988 Bundesminister um f r Wirtschaft und Technologie Hrsg Referat ffentlichkeitsarbeit Energiedaten 1999 Nationale und internationale Entwicklung Bundesministerium f r Wirtschaft und Technologie Bonn 1999 Cholodetzky R Snieders J Dezentrale Energiewandler Kapitel 5 Brennstoffzelle Studienarbeit FH Bielefeld Bielefeld 1999 Czakainski M Bev lkerungswachstum und globaler Energieverbrauch und Energiesituation in den Schwellen und Entwicklungsl ndern Energiewirtschaftliche Tagesfragen 49 Jg Heft 10 S 646 ff Essen 1999 Daimler Chrysler Ausz ge aus dem Internetauftritt www daimlerchrysler de Daimler Chrysler Stuttgart 2000 DLR Niedertemperatur Brennstoffzellen PEFC und DMFC Infobrosch re Deutsches Zentrum f r Luft und Raumfahrt e V Stuttgart 2000 Deutscher Wasserstoffverband DWV Wasserstoff Spiegel Neues vom Wasserstoff Ausgabe Nr 1 00 Deutscher Wasserstoffverband Berlin 2000 Deutscher Wasserstoffverband DWV Wasserstoff Spiegel Neues vom Wasserstoff Ausgab
70. ellt Die Struktur der heutigen Energieversorgung ist in der Lage diese Fluktuationen abzufedern Untersuchungen und Berechnungen der Enquetekommission des Deutschen Bundestages im Jahre 1990 ergaben dass erst ab einem Anteil von 20 25 der regenerativen Energien an der Gesamtverstromung ein nennenswerter Bedarf an Wasserstoffkapazit ten als Energiespeicher besteht ledjeff 95 In einer zuk nftigen regenerativ gepr gten dezentralen Energiewirtschaft ist der Wasserstoff als Energiespeicher unerl sslich Die Brennstoffzelle ist in diesem Szenario das ideale Instrument zur Verstromung von Wasserstoff Als Folge der Liberalisierung der Energiem rkte und der Dezentralisierung k nnte die hohe Qualit t des elektrischen Stromes hnlich der Entwicklung in den USA abnehmen Spannungsschwankungen und h ufigere l ngere Stromausf lle werden akzeptiert um den Aufwand und die Kosten der Qualit tssicherung m glichst gering zu halten Brennstoffzellen k nnen f r sensible Verbraucher als Netzersatzanlagen NEA oder Unterbrechungsfreie Spannungsversorgungen USV und Notstromanlagen fungieren Nicht zu untersch tzen ist das Segment der netzunabh ngigen Energieversorgung f r Mobiltelefone und Laptops die die derzeitige Batterie oder Akkutechnik abl sen k nnte Chancen im Mobilit tsmarkt Der weitaus gr te Markt verbirgt sich aber in der mobilen Anwendung der PEMFC In der PKW aber auch n der Nutzfahrzeugproduktion k nnte d e PEM Zel
71. eln zu k nnen Bisherige Ergebnisse lassen Produktionskosten f r solaren Wasserstoff um 25 Pf Nm vermuten zittel 96 winter 89 3 2 4 Wasserspaltung durch thermochemische Kreisprozesse Wasser kann theoretisch ohne Aufwendung zus tzlicher Nutzarbeit bei Temperaturen gr er 2 000 K thermisch gespalten werden Neben den bei diesen Temperaturen auftretenden Materialproblemen und der nicht gel sten Frage der W rmeabstrahlung ist auch bislang keine Energiequelle bekannt die so hohe Temperaturen zu einem akzeptablen Preis bereitstellt Im technischen Ma stab gilt eine Temperaturgrenze von 1 100 K bis 1 200 K f r die thermochemischen Kreisprozesse In diesem Bereich ist die Materialfrage gel st und die Temperaturen k nnen in Hochtemperaturreaktoren und in konzentrierenden Solar strahlungsempf ngern erreicht werden Die technisch notwendige Temperaturabsenkung hat zur Folge dass Wasser nur noch thermisch gespalten werden kann wenn der Kreisprozess wenigstens 2 Reaktionsstufen enth lt Der maximale theoretische thermische Wirkungsgrad bei einer Obertemperatur von 1 000 K und einer Untertemperatur von 300 K errechnet sich zu 88 Modellhafte Berechnungen zeigen aber dass der theoretische Wirkungsgrad mit steigender Anzahl der Stufen sinkt und sich damit auch die thermische Ausbeute reduziert Bisherige Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der thermochemischen Wasserspaltung gehen von einem technischen Wirkungsgrad unter Einschluss der Erzeu
72. en F r den Energietr ger Erdgas gelten m Jahresdurchschnitt 1999 folgende Preise schiffer 00 Erdgaspreise Einfuhrkosten 1 379 Pf kWh Endverbraucher Haushalt 5 295 Pf kWh Endverbraucher Industrie 2 694 Pf kWh Kraftwerke der Stromversorger 2 230 Pf kWh brige Abnehmer 4 205 Pf kWh Gesamtdurchschnitt 3 695 Pf kWh 3 5 1 Herstellungskosten Heutige Herstellungskosten Die Kosten f r d e Erzeugung von Wasserstoff h ngen sehr stark von den Bezugskosten der f r die Erzeugung notwendigen Prim r oder Sekund renergietr ger aber auch von der Produktionskapaz t t der Anlage ab In Deutschland kann auf der Preisbas s f r Prim renergietr ger von 1987 und einer Produktionskapazit t von 110 000 Nm h mit den folgenden Wasserstoffkosten gerechnet werden zittel 98 Neuere Berechnungen der Herstellungskosten f r Wasserstoff sind im Augenblick nicht verf gbar Die Preisentwicklung f r Prim renergietr ger in den letzten Jahren in Deutschland ist nur geringen Schwankungen unterworfen und verl uft zyklisch in einer relativ konstanten und begrenzten Bandbreite schiffer 99 Trotz der berholten Preisbasis von 1987 erm glichen die Zahlen eine Einordnung und einen Vergleich der Prozesskosten f r die Erzeugung von Wasserstoff Die aktuellen Entwicklungen m Energiemarkt mit erh hter staatlicher Besteuerung der Energie und einem generellen Preisanstieg f r Prim renergietr ger sind n den folgenden Zahlen nicht ber cksichtigt
73. en gfe 00 1 m Speicher 800 3 000 DM 10 m Speicher 400 1 500 DM 100 m Speicher 300 1 100 DM Methanolspeicherung Die indirekte Speicherung von Wasserstoff in fl ssigen Hydriden wie Methanol erlaubt eine hohe massen und volumenspezifische Speicherdichte rund halb so gro wie bei Benzin bei gleichzeitig problemloser Nutzung der Infrastruktur f r fl ss ge Treibstoffe Allerdings muss Methanol unter hohem Energieeinsatz aus Erdgas Biomasse oder Wasserstoff und Kohlendioxid synthetisiert werden Zum weiteren Einsatz z B in Brennstoffzellen muss der Wasserstoff aus dem Methanol zur ckreformiert werden wurster 97 Weitere Speicherentwicklungen a Eisenredoxspeicher Die Eisenredoxspeicher sind hnlich aufgebaut wie Metallhydridspeicher Durch eine optimierte Materialauswahl und Verbesserung der Herstellungsmethoden werden erhebliche Vorteile in der Energiedichte und in den Speicherkosten erwartet b Grafitnanofaserspeicher An der Northeastern Universtiy of Boston in den USA ist ein Verfahren in der Entwicklung welches alle bisherigen Wasserstoffspeicherverfahren bertreffen soll Wasserstoff lagert sich dabei in mehreren Lagen auf Grafitfasern mit Querschnitten von 5 100 Nanometern und L ngen von 5 100 Mikrometern an Es wird vermutet dass sich der Wasserstoff durch Absorption und Adsorption an die Fasern bindet Der genaue Anlagerungsmechanismus ist aber noch nicht bekannt Die Beladung des Speichers
74. en Sie die Strom und Spannungswerte bis auf 2 Kommastellen und den Wasserstoff Durchfluss bis auf einen Teilstrich genau auf Beschreibung der Messungen 102 Systemdruck 0 6 bar L fterspannung 6 V Zeit Aktion Last Messwerte Berechnungen zustand T I U min A A V 1 Last trennen zuschalten aufnehmen wir anA trennen a e aufnehmen idi ARARA Messung Tabelle 8 10 Messwerttabelle des Lastprofils zur Bestimmung der Systemantwort Werte ee aufnehmen Auswertung 1 Bestimmen Sie mit Hilfe des Durchfluss Diagramms Abbildung 12 5jim Anhang aus der 2 3 gt Position der Kugel und dem Systemdruck den Wasserstoff Durchfluss in Nml min Zeichnen Sie ein Lastprofil Nehmen Sie die am Anfang eines Zeitraums aufgenommen Werte f r den Laststrom als konstant f r den jeweiligen Zeitbereich an Berechnen Sie die abgegeben Nutzleistung f r die einzelnen Lastzust nde Fu Ypa Tragen Sie die Nutzleistung in das Lastprofil Diagramm ein Berechnen Sie f r jeden Lastzustand die aufgewendete Leistung aus den theoretischen Werten f r Spannung und Strom Last i P el Die theoretische Spannung wird auf den unteren Heizwert bezogen und wird mit 1 254 V Zelle angegeben Der theoretisch m gliche Strom errechnet sich aus _ V kF z V n Wasserstoff Volumenstrom in l s Faraday Konstante 96 485 C mol Anzahl der Elektronen je Teilchenumsatz der Reaktion z 2 Molares Volumen bei 0 C 22
75. en sind in der Lage kurzfristig sehr gro e Str me zu erzeugen Ein ungewollter Kurzschluss zwischen den Kohlenstoffplatten z B durch elektrisch leitende Werkzeuge st unbedingt zu vermeiden e Die Versorgung der Brennstoffzellen mit ausreichenden Mengen Wasserstoff bei gleichzeitiger Stromentnahme muss immer gew hrleistet sein um die Zerst rung der Katalysatoren und der Membran zu verhindern e Bei einem Abfall der Stackspannung unter 4 0 Volt muss die Last unverz glich von Stack getrennt werden Eine berwachung der Stackspannung w hrend des Betriebes ist vorzusehen e W hrend des Betriebes soll auch die Spannung der Einzelzellen berpr ft werden F llt eine der Einzelspannungen unter 0 4 V ist unverz glich die Last zu reduzieren e Bricht bei der Dead end Betriebsweise die Spannung der letzten Zelle in Str mungsrichtung zusammen m ssen die Inertgase mit dem Sp lventil aus dem Stack geblasen werden e Die Beaufschlagung der Zellen mit externen Str men zur Prozessumkehrung f hrt zur einer Zerst rung der Bauteile 7 1 3 Betriebsweisen der Gasversorgung Die Versorgung der Brennstoffzellen mit Wasserstoff kann mit zwei Betriebsweisen gesichert werden Durchfluss Betrieb Beim Durchfluss Betrieb werden die Brennstoffzellen drucklos mit Wasserstoff versorgt Der Wasserstoff durchstr mt die einzelnen Brennstoffzellen in Str mungsrichtung und nicht verbrauchter Wasserstoff tritt an der Ausgangs Rohrverschraubung wieder aus
76. en zum Energietr ger Wasserstoff zur Wasserstoffwirtschaft und zur Brennstoffzellen Technologie erarbeitet worden sind wird m weiteren Verlauf dieser Arbeit die durchgef hrte Marktanalyse das Auswahlverfahren und das Konzept f r das Experimentiersystem vorgestellt Die ausgew hlten Bausteine welche dem praktischen Wissenstransfer dienen werden charakterisiert Zur Untermauerung der theoretischen Kenntnisse werden praktische Messungen an einem Versuchsstand demonstriert und vorausgehende Bedienungshinweise gegeben 6 1 Zielsetzung und Anwendungsgebiete Das Brennstoffzellen Modell soll im ersten Entwicklungsschritt den Kernbereich einer Wasserstoff Energiewirtschaft veranschaulichen Die Anordnung umfasst die Teilsysteme der Energiespeicherung der Energiewandlung und der Energieanwendung einer vom Wasserstoff gepr gten Energiewirtschaft e Der Modellaufbau verfolgt m Wesentlichen zwei Anwendunssfelder e Die Brennstoffzellentechnologie soll ein Baustein der Ingenieurausbildung an der Fachhochschule Bielefeld werden Im Labor f r Energiewirtschaft und regenerative Energien wird ein Versuchsstand konzipiert an dem durch Messungen die Funktionsweise und das Betriebsverhalten von Brennstoffzellen demonstriert werden kann Weiterhin dient der Versuchsstand zum Technologietransfer in die berufliche Ausbildung in Schulen und zu interessierten Fachkr ften Die Energiedienstleister als Projektpartner der FH Bielefeld k nnen diesen Transfer al
77. enge die die Zelle im Betrieb unmittelbar verbraucht Bei der Montage des Sp lventils ist die durch einen Pfeil am Ventil gekennzeichnete Durchflussrichtung zu beachten Im Dead end Betrieb muss vor dem Stack ein berdruckventil angebracht sein welches bei Versagen der Druckeinstellung des Druckminderers zu gro e Systemdr cke verhindert Bei der Integration der Gasversorgungs und Messeinheit in den Versuchsaufbau erf llt das Sicherheitsventil an diesem Element diese Funktion In Abbildung 7 3 wird die Anordnung des Sp lventils und des Sicherheitsventils der Gasversorgungs und Messeinheit im Dead end Betrieb gezeigt Grundlegende Bedienungshinweise 74 Abbildung 7 3 Anordnung im Dead end Betrieb helio2 99 W hrend des Betriebes sammeln sich in der letzten Brennstoffzelle unverbrauchter Wasserstoff und inerte Gase an Die Anlagerung beeintr chtigt die Arbeitsweise der letzten Zelle was sich im Absinken der Spannung dieser Zelle bemerkbar macht Durch ffnen des Sp lventils am Brennstoffzellen Stack k nnen diese Gase ausgesp lt werden Die notwendigen Zeitabst nde zwischen den Sp lvorg ngen h ngen von der Reinheit des Wasserstoffs der Betriebsweise und der Belastung der Zelle ab F r die in dieser Arbeit vorgestellten Messungen an dem Brennstoffzellensystem wird der Dead end Betriebs empfohlen Auch wenn der Durchflussmesser nicht bei der Datenaufnahme jeder Messung notwendig ist bietet das Sicherheitsventil an diesem Ele
78. ennstoffzellen 45 Zielsetzung einer Weiterentwicklung der Brennstoffzellen Technologie ist die Verluste durch die verschiedenen Uberspannungen zu minimieren Dies erscheint durch folgende Ma nahmen realisierbar e Minimierung der Durchtritt berspannung durch wirksamere Katalysatoren und h here Prozesstemperaturen e Minimierung der Diffusions berspannung durch verbesserte Elektrodenstrukturen und Gasf hrungen e Minimierung der berspannungen am Innenwiderstand der Zelle durch verbesserte Leitf higkeit der Kontaktierungen und Elektrolytmaterialien 4 5 Kennlinien 4 5 1 Spannungs Strom Kennlinien Abbildung 4 7 zeigt die Spannungs Strom Kennlinie einer Brennstoffzelle a Die Ursachen f r den charakteristischen Kurvenverlauf in Form von unterschiedlichen berspannungen wurden bereits n der Elektrodenkinetik Kapitel ausf hrlich begr ndet u 0B 04 Agm i Abbildung 4 7 Strom Spannungskennlinie einer Brennstoffzelle nrw 99 4 5 2 Leistungskurve Aus den Strom und Spannungswerten der Kennlinie a in l sst sich eine Leistungskurve entwickeln und ein Punkt maximal erreichbarer Leistung Pmax festlegen In ist der Punkt Pmax eingetragen Der ebenfalls skizzierte Verlauf des Wirkungsgrades b des Zellstapels vgl zeigt die Diskrepanz zwischen den Punkten maximaler Leistung und maximalen Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle ist nicht konstant sondern f llt mit steigender Stromdichte ab Die Leistung
79. entrale Energieerzeuger im mobilen und station ren Bereich haben die Entwicklung verschiedener Brennstoffzellen Systeme bis heute weit vorangetrieben Nahezu alle Systeme sind in der Testphase oder haben schon den Sprung zur Marktreife geschafft Zahlreiche Firmen und Forschungseinrichtungen in den USA Europa und Japan lenken ihre Aufmerksamkeit auf die Weiterentwicklung dieser Energiesysteme 4 2 Grundlagen der Brennstoffzelle 4 2 1 Umwandlungskette Das Prinzip der Brennstoffzelle unterscheidet sich grundlegend von heutigen Techniken zur Elektrizit tserzeugung Bei konventionellen Techniken wird in drei Umwandlungsschritten der Brennstoff zun chst in thermische Energie anschlie end in mechanische Energie und letztendlich in die gew nschte elektrische Energie umgewandelt Die Brennstoffzelle hingegen erzeugt elektrische und thermische Energie mittels eines direkten elektrochemischen Umwandlungsprozesses Abbildung 4 1 verdeutlicht die reduzierten Umwandlungsschritte der Brennstoffzelle gegen ber der konventionellen Stromerzeugung Brennstoffzellen 36 Abbildung 4 1 Umwandlungskette stadt 99 Im Unterschied zu anderen chemischen Energiewandlern wie Prim rbatter en und Akkumulatoren ist bei der Brennstoffzelle die Energiewandlung Leistung in kW und die Energiespeicherung Kapazit t in kWh entkoppelt Die Brennstoffzelle ist der Energiewandler und das Brenngas fungiert als Energiespeicher Bei Sicherung der Brenngaszufuhr kann i
80. er Energie zur erzeugten Nutzw rme und wird zur Beurteilung von KWK Anlagen herangezogen Mit steigender Leistung der Zelle n mmt die Stromkennzahl ab Im Auslegungspunkt kann man von einer Stromkennzahl von 0 8 ausgehen Im Teillastbetrieb steigt diese auf 1 2 und im berlastbereich reduziert sie sich auf rund 0 6 nrw 99 Bei einem station ren Betrieb kann die Stromkennzahl bedarfsgerecht angepasst werden bine 98 Herk mmliche thermo dynamische KWK Anlagen im Leistungsbereich von 5 KW bis 100 MW besitzen Stromkennzahlen im Bereich von 0 2 bis 1 0 oertel 97 verdeutlicht die Abh ngigkeit der Stromkennzahlen von der Zell Leistung und der Stromdichte am Beispiel einer PEMFC Zeilspannung V ur zj D ba iD land b min Minimale Leistung m Hegelbetrieb Mannletstung E E C a SE E b En in 03 0 05 Stromdichte A cm Abbildung 4 8 Stromkennzahlen einer PEMFC bei unterschiedlichen Arbeitspunkten bine 98 Brennstoffzellen 47 Gute Regelbarkeit Die elektrische Ausgangsleistung von Brennstoffzellen l sst sich stufenlos einem weiten Lastbereich anpassen Dadurch kann das System auch schwankenden Lastverl ufen problemlos folgen Nachteilig wirken sich die langen Anfahrzeiten der Brennstoffzellen aus Besonders die Hochtemperaturzellen ben tigen nach l ngerer Stillstandszeit eine Aufheizphase des Zellblocks im Bereich von Tagen Niedertemperaturzellen sind aufgrund des niedrigeren Temperaturnive
81. er einzelnen Wirkungsgrade in Bezug auf die Entstehung die Bestimmung und den Verlauf werden in Kapitel Wirkungsgrade gegeben Bei der Aufnahme der Werte f r den Wasserstoff Durchfluss und die Ermittlung des Volumenstroms ist mit einer hohen Genauigkeit zu arbeiten Geringe Abweichungen wirken sich direkt auf die Werte f r die einzelnen Wirkungsgrade aus In der durchgef hrten Versuchsreihe sind geringe Ungenauigkeiten aufgetreten die auf die geringen Betriebsstunden des Systems zur ckzuf hren sind In einigen Messpunkten ergeben sich f r den Kurvenverlauf untypische Werte f r die einzelnen Wirkungsgrade In Abbildung 8 5 sind die typischen Kurvenverl ufe f r die Wi rkungsgrade dargestellt Bei der Durchf hrung weiterer Messreihen ist der in der folgenden Abbildung gezeigte Kurvenverlauf anzustreben Beschreibung der Messungen Wirkungsgrad Strom Diagramm Spannungswirkungsgrad Stromwirkungsgrad Energiewirkungsgrad Abbildung 8 5 Idealer Kurvenverlauf f r die einzelnen Wirkungsgrade 84 Beschreibung der Messungen 85 8 3 Bestimmung der Leckrate des Systems Versuchsziel Mit diesem Versuchaufbau wird die Leckrate des Brennstoffzellensystems bestimmt Nicht die gesamte Wasserstoffmenge kann im System energetisch umgesetzt werden Der Anteil der dem System f r die chemische Umwandlung durch Undichtigkeiten und Diffusion verloren geht wird in diesem Zusammenhang ermittelt Die Ergebnisse la
82. erden dass es einige Minuten dauern kann bis sich die Kugeln im Durchflussmesser wieder stabilisiert haben Nach einer Wartezeit von 1 Minute pro Messpunkt zur Stabilisierung der Werte k nnen die Daten f r Spannung und Durchfluss aufgenommen werden Verweilen Sie nicht zu lange bei den Messpunkten damit sich die Parameter Temperatur und Membranfeuchte nicht zu stark ver ndern Dies gilt insbesondere f r Stromst rken ber 4A Nehmen Sie die Werte f r die Parameter Strom Spannung und Wasserstoff Durchfluss auf Anhand der Position der schwarzen Glaskugel und der metallischen Kugel im Durchflussmesser kann der Durchfluss bestimmt werden Die schwarze Glaskugel ist zur Messung kleiner die metallische Stahlkugel zur Erfassung gro er Durchfl sse vorgesehen Verwenden Sie die Stahlkugel wenn diese beginnt ruhig zu schweben damit eine h here Messgenauigkeit erzielt wird Ma geblich bei der Ablesung ist die Mitte der Kugel Die Messung ist abzubrechen wenn die Spannung des Stacks unter 4 0 V sinkt oder die Temperatur ber 45 C steigt Messwerttabelle Hinweis Nehmen Sie die Strom und Spannungswerte bis auf 2 Kommastellen und den Wasserstoff Durchfluss bis auf einen Teilstrich genau auf Beschreibung der Messungen 91 Systemdruck 0 6 bar L fterspannung 6 V Temperatur 29 7 C 1 Messungen Berechnungen I Durchfluss A A Vin Nml min NO pd Ur S LS m x r SN Q D N
83. erdruck unabh ngig vom Flaschendruck Vordruckabfall bei zunehmender Flaschenleerung Die dynamische Entspannungskurve in verdeutlicht den konstanten Hinterdruck ber den nahezu gesamten Vordruckbereich Die Ausf hrung mit Regelventil erlaubt eine feine Dosierung des Gasstromes Der maximale Durchfluss der Druckentnahmeeinrichtung liest bei 5 Nm h Abbildung 6 4 Bei den geringen Durchflussmengen der Versuchsanordnung m Bereich von max 0 06 m h wird dieser Endbereich bei weitem nicht erreicht Der Hinterdruckanschluss besteht aus einer Klemmringverschraubung f r einen Rohr Au endurchmesser von 1 8 Zoll Hinterdruck p bar 150 2503 43538 7343 Vordruck p bar Durchfiu Oy Hmh Na Abbildung 6 3 Dynamische Entspannungskurve Abbildung 6 4 Leistungskurve des Druckminders linde2 00 linde2 00 Konzeption zum Aufbau eines Brennstoffzellenmodells 66 Technische Daten Nenndruck 200 bar Hinterdruckbereich 0 1 2 bar Gasreinheit lt 5 0 Leckrate lt 10 10 mbar 1 s He nach au en Werkstoff Geh use Messing vernickelt und verchromt integrierter Partikelfilter Werkstoff Membran Hastelloy C Werkstoff Sitzdichtung PCTFE Manometer Sicherheitsausf hrung nach EN 562 Messklasse 2 5 Nenngr e 50 mm Anzeigebereich 0 315 0 3 bar Betriebstemperatur 20 70 C 6 5 2 Energiewandlung Brennstoffzellen Stack Zur chemischen Energiewandlung werden PEM Brennstoffzellen eingesetzt Aus 10 Einzelzellen wurde ein St
84. erfolgt unter Dr cken von 136 bar in einem Zeitraum von 4 bis 24 Stunden Die Speicherung erfolgt bei Raumtemperatur bei 30 bar Durch Reduzierung des Speicherdrucks k nnen bis zu 95 der eingelagerten Wasserstoffmenge wieder freigesetzt werden Bei dieser Speichertechnologie sollen Werte bis von 7 5 bis 75 des Carbongewichtes in Form von Wasserstoff eingelagert werden k nnen wurster 97 Die Zahlen konnten allerdings im gro en Ma stab noch nicht bewiesen werden Man geht von theoretisch m glichen Werten von 14 aus Technisch realisierbar erscheinen Werte von 10 Damit w re ein Wasserstofftank f r Automobile mit einer Wasserstoffwirtschaft 21 Reichweite von 500 km nur 10 gr er als ein herk mmlicher Benzintank dwv 0100 Die weitere mittlerweile internationale Entwicklung wird zeigen ob die von den amerikanischen Forschern erwarteten hohen Werte auch technisch realisiert werden k nnen Sollte dies aber der Fall sein gehen konservative Rechnungen davon aus dass in 25 Litern Volumen und 15 kg Grafitmasse soviel Wasserstoff speicherbar ist um einen Kleinwagen mit Brennstoffzellenantrieb mit einer Reichweite von 1 500 km zu konstruieren wurster 97 Schon bei realisierten 14 20 Wasserstoffeinlagerung k nnten sensationelle Speichergewichte von 112 bzw 160 g H l oder 3 7 bzw 5 3 kWh kg erreicht werden Fl ssiger Wasserstoff hat im Vergleich dazu eine Speicherdichte von 72 g H gt 1 dwv 0499 Zusammenfassung g Abbildu
85. erlangen Der Umweg ber Methanol zur Anwendung von reinen Wasserstoff k nnte vor allem m mobilen Einsatz konventionelle Kraftstoffe auf Grund seiner vergleichbaren Eigenschaften substituieren Eine problemlose Nutzung der derzeitigen Infrastruktur f r Treibstoffe zur Verteilung von Methanol ist m glich und eine kostenaufwendige Anpassung der Infrastruktur an den Wasserstoffeinsatz entf llt w nter 89 Eisenherstellung Neben den konventionellen Hochofenverfahren zur Herstellung von Roheisen aus Eisenerz existiert ein Direktreduktionsverfahren zur Eisenherstellung Die Direktreduktion von Eisenerz zu Eisenschwamm wird unter Zugabe von Wasserstoff als Reduktionsgas durchgef hrt Durch verfahrenstechnische Vorteile und einer besseren Energiebilanz gewinnt dieses Verfahren in der Verh ttung von Eisenerzen zunehmend an Bedeutung zittel 96 Spezielle Wasserstoffverbraucher Es gibt weitere spezielle Anwendungen von Wasserstoff als Reaktionsmittel in den unterschiedlichsten Industriesparten Bei der Herstellung von Chemikalien und Zwischenprodukten der organischen Chemie mit Hydrierreaktionen wird Wasserstoff ben tigt Ferner in der Lebensmittelindustrie zur Fettenth rtung in der Metallurgie zur Herstellung von Wolfram Molybd n und Nickel und in der Glasindustrie zur Fertigung hochwertiger Gl ser In der Elektrotechnik dient Wasserstoff bei der S liziumherstellung und in der Halbleitertechnik als Schutzgas wi nter 89 3 4 2 Indir
86. ern B ndelwagen zusammen gefasst werden Station re Kleinspeicher werden von den Herstellern technischer Gase angeboten blicherweise werden die Speicher vom Gaslieferanten gestellt und f r die Nutzung eine Mietgeb hr erhoben Die Speicherbeh lter k nnen alternativ dazu auch vom Endverbraucher erworben werden In diesem Fall ist aber der Eigent mer f r die regelm ige technische berwachung der Speicher verantwortlich c Mobile Kleinspeicher Um die spezifischen Speichergewichte f r den mobilen Einsatz vornehmlich n Fahrzeugen zu senken werden d e Speicherdr cke erh ht und leichtere Materialien eingesetzt Angestrebt ist eine Erh hung des Speicherdrucks von 200 auf 300 bar Weiterhin wird der Stahltank in den letzten Jahren durch Composit Tanks ersetzt Dadurch konnte die spezifische Speicherdichte von ca 0 5 kWh kg f r Stahlspeicher durch Druckerh hung verdoppelt und in Kombination mit neuen Materialien auf ca 2 1 KWh kg vervierfacht werden Fl ssiggasspeicherung a Station re Fl ssiggasspeicher Speicher f r fl ssigen Wasserstoff werden als w rmeisolierte doppelwandige Beh lter Dewarts ausgef hrt Zwischen Innen und Au enwand wird im evakuierten Raum die W rmeisolierung eingebracht Sie besteht bei Gro beh ltern meist aus Perlit kleinere Speicher verwenden meist eine Superisolation aus 30 aufeinander liegenden aluminisierten Kunststofffolien Die Superisolation stellt hohe Anspr che an das Vakuum u
87. erten Hinweise zu der Betriebsart 6 Trennen Sie die Last von der Brennstoffzelle Warten Sie 1 Minute und nehmen Sie dann die Leerlaufspannung und den Wasserstoff Durchfluss auf 7 Integrieren S e die Last wieder n den Versuchsaufbau Stellen S e mit der elektronischen Widerstandslast die vorgegebenen Stromwerte ein Ver ndern Sie den Strom dabei nicht sprunghaft da in diesem Fall die Str mungsbedingungen so stark gest rt werden dass es einige Minuten dauern kann bis sich die Kugeln im Durchflussmesser wieder stabilisiert haben Nach einer Wartezeit von 1 Minute pro Messpunkt zur Stabilisierung der Werte k nnen die Daten f r Strom Spannung und Durchfluss aufgenommen werden Verweilen Sie nicht zu lange bei den Messpunkten damit sich die Parameter Temperatur und Membranfeuchte nicht zu stark ver ndern Dies gilt insbesondere f r Stromst rken ber 4 A Die Werte f r den Wasserstoff Durchfluss kann anhand der Position der schwarzen Glaskugel und der metallischen Kugel m Durchflussmesser bestimmt werden Die schwarze Glaskugel ist zur Messung kleiner die metallische Stahlkugel zur Erfassung groBer Durchfl sse vorgesehen Verwenden Sie die Stahlkugel wenn diese beginnt ruhig zu schweben damit eine h here Messgenauigkeit erzielt wird Ma geblich bei der Ablesung der Werte ist die Mitte der Kugel Die Messung ist abzubrechen wenn die Spannung des Stacks unter 4 0 V sinkt oder die Temperatur ber 45 C steigt Messwerttabell
88. es Volumen bei 0 C 22 41410 l mol Anzahl der Zellen im Stack 10 biae 5 Beschreibung der Messungen 97 5 Berechnen Sie den Energiewirkungsgrad ng 1 aus dem Produkt aus Spannungs und Stromwirkungsgrad 1g Ny NM 6 Tragen Sie die errechneten Leistungen und die Energiewirkungsgrade in ein Wirkungsgrad Leistungs Strom Diagramm ein Wirkungsgrad Leistung Diagramm N Energiewirkungsgrad e Leistung Abbildung 8 9 Wirkungsgrad Leistungskurve des Brennstoffzellensystems Interpretation Abbildung 8 9 zeigt dass die Maxima der Leistung und des Wirkungsgrades bei unterschiedlichen Laststr men zu finden sind Dies hat zur Folge dass die Wahl des Arbeitspunktes von der Zielsetzung m speziellen Anwendungsfall abh ngig ist Bei der Forderung nach maximaler Leistung muss ein geringerer Wirkungsgrad in Kauf genommen werden Besteht die Forderung nach maximaler Energieeffizienz kann die Zelle nur m Teillastbetrieb gefahren werden Zwischen den beiden Extrema muss ein bezogen auf den Anwendungsfall optimaler Arbeitspunkt gesucht werden Beschreibung der Messungen 98 8 7 Wechselbeziehung der Betriebsparameter einer Brennstoffzelle Versuchsziel Mit dieser Versuchsanordnung wird die Wechselbeziehung zwischen den Betriebsparametern Innenwiderstand Spannungswirkungsgrad und Stack Temperatur erarbeitet Die Spannung an den L ftern des Stacks dient in diesem Fall dazu die Parameter Innenwiders
89. es Wasserstoffs in die Energieversorgung der Zukunft Ein m glicher Weg eine solare Wasserstoff und Energiewirtschaft wird im folgenden Abschnitt n her beleuchtet Wasserstoffwirtschaft 32 3 8 Solare Wasserstoffwirtschaft Die Notwendigkeit neuer Energiesysteme wurde bereits in Kapitel 2 ausf hrlich dargestellt Eine L sungsm glichkeit stellt eine Umwandlung der heutigen kohlenstoffhaltigen Energiewirtschaft offenes Energiesystem in eine emissionslose solare Wasserstoff energiewirtschaft geschlossenes System dar Offenes Energie System Kohlenstoff Energiewirtschaft Die heutige Kohlenstoff Energiewirtschaft stellt ein offenes Energie System dar Das offene System basiert auf fossile und nukleare Energietr ger Diese ersch pflichen Rohstoffe werden aus der Erdkruste gewonnen weiterverarbeitet und ber weite Strecken transportiert Am Einsatzort findet eine weitere Umwandlung in die gew nschte Nutzenergieart statt Am Ende der Energie Umwandlungskette wird die gesamte zuvor im Energietr ger gespeicherte Energie in Abw rme berf hrt Die Abw rme in Form von Anergie ist letztlich technisch nicht mehr nutzbar und wird an die Geosph re abgegeben Neben der Abw rme entstehen bei den Umwandlungsprozessen auch zahlreiche Spalt Rest und Schadstoffe d e ebenfalls n der Geosph re gelagert werden Die Anreicherung der Geosph re durch Nutzung fossiler Energietr ger bezieht sich sowohl auf die Atmosph re z B durch erh h
90. externer Leistungwiderstand 0 05 Ohm 25 Watt in Reihe zum Stack geschaltet In diesem Fall wird damit ein vergr erter Innenwiderstand simuliert l Trennen S e d e Last von der Brennstoffzelle 2 Lassen Sie den L fter weiterlaufen um den Stack zu k hlen empfohlene Spannung 2 V 3 Integrieren Sie den Serienwiderstand entsprechend Versuchsaufbau A3 im Anhang in die Versuchsanordnung 4 Ist d e Temperatur des Stacks auf den Wert des vorangegangenen Teilversuchs abgesunken kann mit der Messung begonnen werden Um die Messreihen vergleichbar zu machen behalten Sie die Werte der Parameter Druck und L fterspannung bei F hren Sie die Schritte 3 8 des Teilversuchs A durch Die Messung ist abzubrechen wenn die Spannung des Stacks unter 4 0 V sinkt oder die Temperatur ber 45 C steigt Beschreibung der Messungen 88 Teilversuch C Messung mit verminderter Luftversorgung In diesem Teilversuch wird die L fterspannung und damit die Luftversorgung und die K hlung der Zelle vermindert l Trennen S e d e Last von der Brennstoffzelle 2 Lassen Sie den L fter weiterlaufen um den Stack zu k hlen empfohlene Spannung 2 V 3 Entfernen Sie den Serienwiderstand und stellen die Versuchsanordung aus dem Teilversuch A nach Versuchsaufbau Al oder A2 Abbildung 12 1 bzw Abbildung 122 im Anhang wieder her 4 Ist d e Temperatur des Stacks auf den Wert des vorangegangenen Teilversuchs abgesunken kann mit der Messung begonnen
91. f Beschreibung der Messungen 96 Systemdruck 0 6 bar L fterspannung 6 V Messungen Berechnungen 600 504 805 40 3384 046 097 045 80 801 520 95 570 4165 042 0 97 041 100 10 0 479 1170 720 4790 039 0 97 0 38 12 0 12 02 434 152171035 Tabelle 8 8 Messwerttabelle zum Vergleich Punkte maximaler Leistung und optimaler Wirkungsgrad Auswertung 1 Bestimmen Sie mit Hilfe des Durchfluss Diagramms Abbildung 12 5jim Anhang aus der Position der Kugel und dem Systemdruck den Wasserstoff Durchfluss in Nml min 2 Berechnen Sie in jedem Messpunkt die Leistung der Brennstoffzelle 3 P MD I U l Errechnen Sie den Spannungswirkungsgrad nu l der Brennstoffzelle bezogen auf die theoretische Gleichgewichtspannung der Wasserstoff Sauerstoff Reaktion un D MU 7 ref Als Referenzspannung Urf wird die theoretische Gleichgewichtspannung mit 1 23 V Zelle eingesetzt vgl Kapitel 4 3 2 Bestimmen Sie den Strom oder Faradaywirkungsgrad n D Er ist das Verh ltnis aus dem gemessenen Strom und dem anhand des zugef hrten Wasserstoff Volumenstroms mit Hilfe des 1 Faradayschen Gesetzes berechneten theoretisch m glichen Strom Mit steigendem Strom n hert er sich dem Wert 1 an I me th VxF z V n h mit Wasserstoff Volumenstrom in l s Faraday Konstante 96 485 C mol Anzahl der Elektronen je Teilchenumsatz der Reaktion z 2 Molar
92. f in der ersten H lfte dieses Jahrhunderts Die gesamte Gasversorgung st tzte sich auf Stadtgas einem Kohlegas das zu mehr als der H lfte aus Wasserstoff besteht Erst mit zunehmender Erschlie ung der Erdgas und Erd lvorkommen sank die Bedeutung der Kohle und somit auch die des Stadtgases in der Energieversorgung zittel 96 Heute spielt Wasserstoff als Energietr ger in der Energiewirtschaft au er in speziellen Einzelanwendungen keine entscheidende Rolle mehr Die energetische Nutzung konzentriert sich heute vornehmlich auf die Verwertung des bei chemischen Prozessen als Nebenprodukt anfallenden Wasserstoffs Unter Zumischung anderer Brenngase wird n dezentralen Anlagen thermische und elektrische Prozessenergie daraus erzeugt In der Energiewirtschaft ist ein anhaltender Trend zur kleineren dezentralen Energieerzeugungsanlagen zu beobachten Besonders in den Entwicklungs und Schwellenl ndern ohne feste Verteilungsnetze ist eine dezentrale Struktur von Vorteil Aber auch in der Energieversorgung der Industriestaaten gewinnen dezentrale Anlagen mit Karft W rme Kopplung KWK zunehmend an Bedeutung Bei zus tzlich wachsenden Anteilen fluktuierender regenerativer Energien an der Energieversorgung kann Wasserstoff als Ausgleichsmedium eine zentrale Stellung n der Energiewirtschaft erlangen Das wachsende Ressourcen und CO gt Problem der globalen Energiewirtschaft wirkt zus tzlich als Multiplikator f r eine umfassende Integration d
93. fasst man die Zellen zu Stapel oder Stacks zusammen Die Entwicklung von der Einzelzelle zu einem Zellstapel zeigt die Abbildung 5 3 Ealah Silht fiiar EI LI iy jcie mil mlegrierien Gas ummer Abbildung 5 3 Schematischer Aufbau eines Brennstoffzellenstacks ledjeff 95 Die Abtrennung der Einzelzellen m Stapel erfolgt durch Bipolarplatten Dies sind Metallplatten mit eingefr sten oder eingepr gten winzigen Nuten die wiederum die Gaszufuhr und abfuhr gew hrleisten und zur Befeuchtung der Membran beitragen Auf der einen Seite der Bipolarplatte wird die Elektrode der einen Zelle und auf der anderen Seite der Platte die Elektrode der benachbarten Zelle aufgebracht Durch diese Doppelnutzung der Platten k nnen die baulichen Abmessungen eines Zellstapels deutlich reduziert werden PEM Zelle 53 Die Bipolarplatten haben vielf ltige Aufgaben bei Betrieb einer PEM Brennstoffzelle zu erf llen die im folgenden aufgef hrt sind ledjeff 95 Elektrische Kontaktierung der Elektroden Weiterleitung des Stromes zu Nachbarzelle bei Serienschaltung Versorgung der Zellen mit den Reaktionsgasen Abtransport des erzeugten Wassers bzw Dampfes Ableitung der entstehenden W rme aus der Zelle heraus Abdichtung der verschiedenen Gas und K hlkammern gegeneinander und nach au en In sind die unterschiedlichen Komponenten einer Brennstoffzelle schematisch dargestellt Die Hauptbestandteile eines Stack mit Membran Elektrodeneinheit und den Bipo
94. fzelle MCFC und die ox dkeramische Brennstoffzelle SOFC ordnet man den Hochtemperaturzellen zu Vom Grundprinzip arbeiten alle Zellen mit Wasserstoff als Brennstoff Als Energielieferant kommen aber auch andere Brennstoffe in Frage Vor allem die Hochtemperaturzellen nutzen die hohe Betriebstemperatur um vorhandene und besser transportierbare Brennstoffe wie Erdgas direkt einsetzen zu k nnen Aus den Brennstoffen wird der Wasserstoff durch Reformingprozesse gewonnen die der eigentlichen Brennstoffzelle vorgeschaltet sind gibt einen berblick ber die wichtigsten Kenndaten der verschiedenen Brennstoffzellensysteme Brennstoffzellen 49 Brennstoff AFC PEMFC PAFC MCFC SOFC zellentyp Niedertemperatur Hochtemperatur Elektrolyt Kalium Polymer Phosphors ure Geschmolzenes Yttrium hydrooxid membran Lithium stabilisiertes Kalilauge karbonat Zirkonoxid Kaliumkarbonat Brennstoff Reinster Erdgas Erdgas Erdgas Erdgas Wasserstoff Methanol Wasserstoff Kohlegas Kohlegas Wasserstoff Biogas Biogas Biogas Wasserstoff Wasserstoff Sauerstoff Luft Luft Luft Luft temperatur Temperaturniveau der auskoppel 40 70 C 400 420 C 300 600 C baren Nutzw rme elektrischer Systemwirkungsg 60 70 ca 55 ca 55 rad Neuzustand Gesamtnutzungs k A 75 80 90 90 Betrieb Leistungsdichte 0 3 0 5 0 3 0 9 0 15 0 3 0 15 0 15 0 7 Wen Wion Modulgr en A Bedeutendste IFC USA Ballard ONSI USA MC Power Sieme
95. g M Kraus P Elektrochemische Energiewandler Brennstoffzelle in Der Energieberater 32 Erg Lfg Bd 2 Kap 5 8 Deutscher Wirtschaftsverlag K ln 1999 Heinloth K Energie und Umwelt Klimavertr gliche Nutzung von Energie Teubner Verlag Stuttgart 1996 Heliocentris Energiesysteme GmbH Bedienungsanleitung Mess und Kontrolleinheit HC 50 Heliocentris Energiesysteme GmbH Berlin 2000 Helicentris Energiesysteme GmbH Experimentieranleitung f r Brennstoffzellensystem NP 20 und NP 50 Heliocentris Energiesysteme GmbH Berlin 1999 Heliocentris Energiesysteme GmbH Bedienungsanleitung Brennstoffzellenstack NP 50 Heliocentris Energiesysteme GmbH Berlin 1999 H TEC Wasserstoff Energie Systeme GmbH Produktinformationen L beck 2000 Kuchling H Taschenbuch der Physik 16 Auflage Verbuchverlag Leipzig Leipzig 1996 Ledjeff K Hrsg Brennstoffzellen Entwicklung Technologie Anwendung C F M ller Heidelberg 1995 Literatur leusch 99 linde1 00 linde2 00 mel 97 nrw 00 nrw 99 oertel 97 phywe 00 schiffer 00 schiffer 99 schlessing O0 schmidt 97 schmidt1 00 schmidt2 00 schmidt3 00 112 Leuschner U Brennstoffzellen Strombasi swissen Nr 131 Informationszentrale der Elektrizit tswirtschaft e V Frankfurt 1999 Linde AG Werksgruppe Technische Gase Druckschrift Wasserstoff H llriegelskreuth 2000 Linde AG Werksgru
96. gung der Elektrizit t von 30 40 aus Dadurch ergibt sich im Moment kein nennenswerter Vorteil gegen ber dem Verfahren der Wasserstoffelektrolyse Au erdem ist die Entwicklung noch nicht ber den Status der Grundlagenforschung hinausgetreten winter 89 zittel 96 3 2 5 bersicht der Verfahren Die folgende Tabelle 3 5 fasst die m glichen Methoden der Wasserstoffgewinnung mit ihren charakteristischen Kenngr en zusammen status sr e Anlagengr e Nm DM Reforming Ausgereift ausgereift ausgereift Kvaerner Verfahren Entwicklung 0 5 2 5 Mio ausgereift Elektrolyse Membran Elektr Energie Entwicklung Kleine K A BE BE a a a Elektrolyse Hochdruck Elektr Energie Entwicklung Elektrolyse Hoch Elektr Energie Entwicklung k A k A temperatur Biologisch Biomasse Reforming Biologisch Entwicklung Prozesse Kreisprozesse Tabelle 3 5 Methoden zur Wasserstoffgewinnung Wasserstoffwirtschaft 17 3 3 Weiterverarbeitung Speicherung und Transport 3 3 1 Weiterverarbeitung von Wasserstoff Vorgeschaltete Reinigung der Ausgangsstoffe Ein Gro teil der unerw nschten Bestandteile kann bereits vor dem Reformierungprozess oder der Partialox dation aus dem Rohgas herausgefiltert werden Zum Einsatz kommende Verfahren sind die Entstaubung von Kohle und Biogas die Entschwefelung von Erdgas und die Entfernung von Kohlendioxid durch die CO gt W sche Feinreinigung Entsprechend den Anforderungen der En
97. haften der PEMFC gegen ber anderen Zelltypen s nd von Vorteil Die Anfahrzeiten s nd gering und schon bei Umgebungstemperatur erzeugt die Zelle 50 ihrer maximalen Leistung ledjeff 95 Auch schnellen Lastwechseln kann die PEM Zelle problemlos folgen was in kurzen Zeitkonstanten f r Sprungantworten auf Lastwechsel resultiert Der einfache Aufbau der Zelle er ffnet die M glichkeit einer sehr kompakten Bauform und birgt noch weitere Kostenreduktions potenziale bei der Serienfertigung 5 3 Anwendungsbereiche Der PEMFC erschlie t sich durch die beschriebenen Eigenschaften ein breites Anwendungsspektrum Sowohl in mobilen Anwendungen als auch in der Kraft W rme Kopplung ist ein Einsatz der PEMFC denkbar Das Leistungsspektrum der Anwendungen erstreckt sich von nur wenigen Watt bis zu ca 300 kW nrw 00 5 3 1 Mobile Anwendungen Die mobile Anwendung der PEMFC im Fahrzeugbau bietet die v elversprechendsten Perspektiven Durch die kurzen Anfahrzeiten und die guten Kaltstarteigenschaften ist die PEMFC pr destiniert f r eine d skontinuierliche Betriebsweise wie sie f r Fahrzeuge aller Art charakteristisch ist Die hohe Leistungsdichte dieses Zelltyps unterstreicht die Eignung in diesem Segment Um eine Alternative zu den konventionellen Verbrennungsmotoren darzustellen m ssen aber auch die Kennzahlen in punkto Leistungsgewicht und Investitionskosten konkurrenzf hig werden Das Leistungsgewicht einer PEM Brennstoffzelle betr gt rund 2
98. herauf Bei dem DC 2 ist die Ausgangsspannung auf 12 V festgelegt Bei dem DC 50 k nnen Ausgangsspannungen von 6 V 9 V und 12 V ber einen Drehschalter gew hlt werden Beide Gleichspannungswandler k nnen zur Versorgung der L fterregelung eingesetzt werden Weiterhin ist ein individueller Betrieb je nach geforderten Spannungsniveau verschiedenster Verbraucher mit diesen Elementen m glich Technische Daten DC 2 DC 50 Eingangsspannung 2 4V 2 10 V Ausgangsspannung 12 V 6 9 12 V Max Leistung 2 W 100 W Konzeption zum Aufbau eines Brennstoffzellenmodells 69 Abbildung 6 8 Gleichspannungswandler DC 2 und DC 50 der Firma Heliocentris Erweiterung Innenwiderstand Zur Durchf hrung der Messung wird als Erweiterung des Innenwiderstands der Brennstoffzelle ein Lastwiderstand mit 0 05 Q und 25 W Verlustleistung ben tigt Im Handel ist kein Widerstand mit den geforderten Werten erh ltlich Aus diesem Grund wurde das Bauteil durch eine Parallelschaltung zweier Widerst nde mit 0 1 Q und 50 W realisiert 6 5 3 Messeinrichtungen Gasversorungs und Messeinheit Um den Wasserstoffdurchfluss bestimmen zu k nnen ist in die Anordnung die Gasversorgungs und Messeinheit HC 50 Abbildung 6 9 integriert worden Das wesentliche Bauteil dieser Messeinrichtung ist ein Schwebek rper Durchflussmesser In einem konischen Rohr wird eine Kugel durch den Gasstrom gegen die Schwerkraft nach oben gedr ckt Mit Hilfe eines Durchfluss Diagramms im Anh
99. herung st wesentlich kosteng nstiger als andere Speichermethoden h ngt aber von den rtlichen geologischen Voraussetzungen ab und ist nur f r sehr gro e Speicherkapazit ten realisierbar b Station re Kleinspeicher In Verteilungsnetzen k nnen analog zur Erdgaswirtschaft Scheiben oder Glockengasspeicher oder Niederdruckkugelbeh lter mit Volumina gr er 15 000 m eingesetzt werden Erfahrungen mit der Speicherung von Wasserstoff in dieser Form in Bezug auf die Dichtheit der Beh lter liegen nicht vor da kein entsprechend gro es Verteilungsnetz f r Wasserstoff mit der Notwendigkeit von Zwischen und Ausgleichsspeichern bislang realisiert wurde In der Industrie sind standardisierte Druckgasspeicher im Einsatz Die zylindrischen Speicher mit einem Durchmesser von 2 8 m werden in L ngen zu 7 3 m 10 8 m und 19 m angeboten Bei einem Speicherdruck von 45 bar k nnen 1 300 bis 4 500 m Wasserstoff gespeichert werden Die Tankspeicherung erreicht spezifische Speichergewichte von 0 24 0 31 kWh kg und Speichervolumina von 0 135 kWh I inklusive des Speichergewichtes Wasserstoffwirtschaft 19 Kleinere Mengen Wasserstoff werden in handels blichen Stahlflaschen im Gashandel angeboten Die Flaschen mit einem Rauminhalt von 2 50 Litern beinhalten 0 3 bis 8 9 m Wasserstoff bei einem Druck von 200 bar Das Gewicht liegt mit F llung bei 5 3 bis 68 kg Die Flaschen k nnen zu Flaschenb ndeln mit 12 Falschen je 50 Litern und zu Trail
100. ht werden Die PEM Brennstoffzelle st das dominierende Bauteil und steht optisch im Vordergrund e Steuerungs und Messmodul Im Steuerungs und Messmodul k nnen die zum Betrieb notwendigen Elemente wie z B die L ftersteuerung untergebracht werden Weiterhin st es s nnvoll einfache Messelemente zur optischen Darstellung von Spannung Strom Leistung und Temperatur der Zelle zu integrieren Mit den Messeinrichtungen k nnen technische Fragen des Publikums unter Hinzuziehung konkreter Arbeitspunkte und Parameter beantwortet werden Weiterhin dienen die Anzeigen zur berwachung des Betriebszustandes des Pr sentationsmodells e Energienutzungsmodul f r Gesch ftskunden F r die Zielgruppe der Gesch ftskunden ist ein Modul zu entwickeln welches die Haupteinsatzfelder von Energie im industriellen Bereich wiederspiegelt Der Schwerpunkt in diesem Bereich liegt in der Erzeugung von mechanischer Energie und in der Bereitstellung von W rmeenergie f r die Prozesstechnik und die Raumheizung Idealerweise k nnte ein aussagekr ftiger Produktionsprozess wie z B die Herstellung von Kunststoffprodukten nachgebildet werden Entwurf zur Pr sentation und Kommunikat on 108 e Energienutzungsmodul f r Privatkunden Die Zielgruppe der Privatkunden ist vornehmlich an die Substitution der herk mmlichen Heizungsanlage zur Erzeugung von Warmwasser und Raumw rme interessiert Die Produktion von Strom mittels Brennstoffzellen ist in diesem Bereich ein w
101. ie Bezugsquellen gekennzeichnet Konzeption zum Aufbau eines Brennstoffzellenmodells 61 Demonstrationsobjekte Die angebotenen Modelle dienen vornehmlich zur Demonstration der Theorie der chemischen Wasserspaltung durch Elektrolyse und die anschlie ende chemische Umwandlung des erzeugten Wasserstoffs n elektrische Energie mittels einer einfachen PEM Brennstoffzelle Die Energiezufuhr zur Herstellung des Wasserstoffs im Elektrolyseur kann mit einem Photovoltaik Modul und externer Beleuchtung oder einem Netzteil vorgenommen werden Ein kleiner Motor h ufig in der Ausbildung eines Windrades dient als Verbraucher Mit der Anordnung kann der geschlossene Energiekreislauf einer solaren Wasserstoffwirtschaft demonstriert werden vgl Kapitel 3 8 Anwendung finden diese Systeme haupts chlich m Physik oder Chemieunterricht in Schulen Die Leistungen der PEM Zellen liegen je nach Modellausf hrung m Milliwatt Bereich An der Brennstoffzelle sowie am Elektrolyseur k nnen Str me und Spannungen gemessen werden Die geringe Systemleistung erlaubt aber keine tiefergehenden Untersuchungen oder die Aufnahme von Kennlinien Die Kosten einer Demonstrationsanlage bewegen sich im Bereich bis 2000 DM Hersteller e H TEC Wasserstoff Energie Systeme GmbH L beck www h tec com e Heliocentris Energiesysteme GmbH Berlin www heliocentris com e WA TEC Ingenieurb ro Martin Strippel Darmstadt www members aol com strippel e Maschinenhandelsgesellschaft
102. ie massenbezogene Energiedichte erweist s ch dort als Entscheidungskriterium In der Entwicklungsbem hungen versucht man die zuvor beschriebenen energetischen Anwendungen auf den Kraftfahrzeugbereich zu bertragen Die vielversprechendste Entwicklung ist auch in diesem Bereich die Brennstoffzelle Verschiedene Konzepte unter Verwendung von Erdgas Methanol und Wasserstoff als Energietr ger stehen kurz vor der Marktreife Nahezu jeder Automobilkonzern betreibt Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet oder bildet Allianzen mit entsprechenden Forschungsstandorten Die Weichen f r den Einzug von Wasserstoff n den mobilen Anwendungsbereich s nd gestellt Der Umweg ber Methanol oder Erdgas wird m Augenblick aufgrund der Nutzbarkeit der vorhandenen Infrastruktur f r Kraftstoffe favorisiert In der Entwicklung befinden sich wasserstoffbetriebene Fahrzeuge aller Kategorien 3 5 Kosten f r Wasserstoff Der Preis f r den Endverbraucher von Wasserstoff setzt sich aus den Herstellungskosten den Umwandlungskosten und den Transport und Verteilungskosten zusammen Die Gewinnspannen der Produzenten und Handelspartner sowie staatliche Steuern und Abgaben s nd n den folgenden Angaben nicht ber cksichtigt Dies sind var able Zuschl ge die politischen und wirtschaftlichen Einfl ssen unterliegen Um eine kostenm ige Beurteilung von Wasserstoff zu erm glichen soll auch an dieser Stelle ein Vergleich mit dem Energietr ger Erdgas vollzogen werd
103. iel einer PEM Brennstoffzelle vermittelt Zur Untermauerung der theoretischen Kenntnisse werden praktische Messungen an einem Versuchsstand demonstriert Ein Entwurf zur Kommunikation und Vermittlung der Technologie auf Messen Ausstellungen und Tagungen durch Energieversorgungsunternehmen rundet die Arbeit ab Eine ausf hrliche Betrachtung des Marketings und der Kommunikation des Experimentiersystems wird in einer gesonderten Abhandlung erfolgen Das Projekt st eine Kooperation der Fachhochschule Bielefeld der PESAG AG Paderborn und der ENEX AG Paderborn Die Fachhochschule Bielefeld als Projektinitiator verfolgt vorrangig das Ziel die Brennstoffzellen Technologie in die Ingenieurausbildung zu integrieren Die Kommunikation und Pr sentation der Technologie auf Fachtagungen Kongressen Messen etc mittels eines Demonstrationsmodells st das Bestreben der Energiedienstleistungsunternehmen in der Projektpartnerschaft Die FH Bielefeld die PESAG AG und die ENEX AG bilden die Arbeitsgemeinschaft ARGE Energiekompetenz Ostwestfalen Lippe 1999 gewann die ARGE den Energie Management Award f r das fortschrittlichste Kundenbindungskonzept Das vorliegende Projekt ist ein Baustein in der We terentwicklung des Kundenbindungs und Ausbildungskonzept der ARGE Notwendigkeit neuer Energiekonzepte 2 2 Notwendigkeit neuer Energiekonzepte Die Liberalisierung der Energiem rkte f r Strom und Gas ver ndert zur Zeit massiv die Struktur der Energiew
104. in Brennstoffzellenstack diesen Typ zum Einsatz kommt PEM Zelle 51 5 PEM Zelle 5 1 Aufbau der PEM Zelle F r die Polymermembranbrennstoffzelle wird 1 A das Akronym PEMFC aus der englischen Abk rzung f r Proton Exchange Membrane Fuel Cell benutzt Die Bezeichnung bezieht sich auf die protonenleitende Polymerfolie die als Elektrolyt verwendet wird Das Herzst ck der PEMFC ist die sogenannte Membran Elektroden Einheit membrane electrode assembly MEA Die MEA besteht aus zwei Elektroden und einer dazwischen liegenden Kunststoffmembran als Elektrolyt zeigt eine Elektronenmikroskopaufnahme von dem Schnitt durch eine Membran Elektroden Schicht und gibt die Gr enverh ltnisse der Schichten wieder Die Membran ist 40 um und die einzelnen Elektroden 5 um dick Elektrode Elektrode Abbildung 5 1 Schnittbild einer Membran Elektroden Schicht dIr 00 Die Kunststoffmembran aus einem perfluorierten sulfonierten Polymer ein durch Sulfons uren modifiziertes Teflonmaterial verh lt sich im angefeuchteten Zustand wie eine feste S ure und leitet Protonen von der Anode zur Kathode Als Membranmaterial weit verbreitet ist das von DuPont USA entwickelte Nafion oder das etwas leistungsf higere DOW Polymer von DOW Chemical USA Die Dicke der Membran betr gt zwischen 20 und 100 um Im Betriebszustand betr gt der Wassergehalt der Membran 20 40 und die elektrische Leitf higkeit 0 1 Sem Die Elektroden bestehe
105. in gro es Einsatzgebiet Durch steigende Anforderungen im energetischen Bereich bei Neubauten z B durch den Niedrigenergiehausstandard sinkt der Bedarf an W rme zur Beheizung des Hauses und damit auch der Gasbedarf Bei den hohen Anschlusskosten an das Gasnetz und nur einem reduzierten Gasabsatz verliert die alleinige Bereitstellung von W rme f r die Gasversorger zunehmend an Attraktivit t Brennstoffzellen hingegen produzieren W rme und Elektrizit t und w rden zu einer konomischen und kologischen Steigerung des Gasabsatzes f hren PEM Zelle 59 Chancen in der Stromerzeugung Brennstoffzellen k nnen f r die Energieversorgungsunternehmen EVU zu einem neuen Verfahren zur dezentralen Stromerzeugung werden Ein virtuelles Kraftwerk aus vielen kleineren Brennstoffzelleneinheiten die durch eine zentrale Leittechnik miteinander verkn pft sind kann zur Erzeugung von Spitzenlaststrom genutzt werden Zudem erschlie en sich die Energieversorger mit der gleichzeitigen W rmebereitstellung ein neues attraktives Feld f r Energiedienstleistungen beim Endverbraucher Ein gro es Problem f r die EVU bei der zunehmenden Verbreitung von regenerativen Energieerzeugungsanlagen w e Windkraftanlagen Photovoltaikmodulen etc ist die diskontinuierliche Energiebereitstellung dieser Systeme Das Energieangebot der regenerativen Systeme ist zeitlich und quantitativ schwer prognostizierbar und wird h ufig zu Zeiten geringer Energienachfrage bereitgest
106. ion wieder verf gbar wird winter 97 In dem geschlossenen Wasserstoff Kreislauf dient die Sonne als kontinuierlicher Energielieferant Unter menschlichen Ma st ben kann eine vermutliche restliche Strahlungsdauer von 4 5 Milliarden Jahren als unersch pflich angesehen werden Mit Hilfe der Sonnenenergie in all ihren Erscheinungsformen wird durch Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten Der Wasserstoff kann gespeichert und transportiert werden Bei der Energienutzung in unterschiedlichster Form verbindet sich unter Freisetzung von Energie der Wasserstoff wieder mit Sauerstoff zu Wasser Der Kreislauf ist geschlossen Das Problem der solaren Wasserstoffwirtschaft liegt derzeit in der Erzeugung ausreichender Mengen an solarem Wasserstoff mit hohen Energiedichten aus den mit sehr geringen Energiedichten vorkommenden regenerativen Energien Die Substitution fossiler Energietr ger durch regenerative Systeme bei einem derzeitigen globalen Prim renergieverbrauch von rund 350 10 PJ ist mit einem gewaltigen kaum l sbaren technischen und finanziellen Aufwand verbunden zeigt den geschlossenen Energiekreislauf mit dem Speicher und Transportmedium Wasserstoff nee WassrshiHT Kreislaufenergietr per unerschigllich PrE Mir umweblverunmiwuribar risik rum ihn r S i anme Aue Peire hemii Wassern emie Flilsss ler J A iiie Dirim FIA pge m I a i Trp IIT Iis Li INIT E il iia J I umlahri r Wi u
107. ionsbereich von Wasserstoff m Vergleich zu Methan bis zu einer oberen Grenze von 59 Vol wesentlich ausgedehnter Unter realistischen Bedingungen werden die oberen Detonationsbereiche ohne vorherige Z ndung allerdings nur in Ausnahmen erreicht Diffusionskoeffizient Der Diffusionskoeffizient von Wasserstoff liegt etwa 4 mal h her als der von Methan Somit mischt sich Wasserstoff wesentlich schneller mit Luft als andere Brenngase Im Freien ist dies von Vorteil da s ch die kritischen Gas Luft Gemische sehr schnell verd nnen und unter die Z nd bzw Detonationsgrenzen fallen In geschlossenen schlecht gel fteten R umen ist diese Eigenschaft von Nachteil da sich wesentlich schneller gef hrliche Gas Luft Gemische bilden k nnen und die Gefahr einer Entz ndung bzw Detonation steigt Wasserstoffwirtschaft 10 3 1 4 Richtlinien und Normen zum Umgang mit Wasserstoff Als komprimiertes oder tiefkalt verfl ssigtes Gas f llt Wasserstoff unter die entsprechenden einschl gigen Regelwerke f r brennbare Gase In Deutschland existiert kein nationales wasserstoffspezifisches Regelwerk da keine besonderen Gefahren von hm ausgehen Normungsbedarf besteht in absehbarer Zeit durch die Einf hrung als Treibstoff in den Verkehr Zulassungsvorschriften Auch die Entwicklung neuer Materialien f r Speicher beh lter und neuen Speicherformen bedarf einer sicherheitstechnischen Betrachtung in entsprechenden Normen wie dies bisher auch f r die schon
108. irtschaft im europ ischen Raum Aber auch die nationale europ ische und weltweite Energiepolitik hat einen starken Einfluss auf die Rahmenbedingungen f r die globale Energiewirtschaft und somit Konsequenzen f r das Verhalten aller Konsumenten von Energie Sowohl die Industrie aber auch Privatpersonen werden mit den Auswirkungen einer zuk nftigen Energiepolitik konfrontiert Weltenergie 1998 Verbrauch insgesamt 8 477 Millionen Tonnen Oleinheiten Was Wasserkraft Kernenergie Asien u T7 Australien 40 0 238 Z aa Abbildung 2 1 Weltweiter Prim renergieverbrauch 1998 birol 99 Der weltweite Prim renergieverbrauch PEV lag 1998 bei rund 356 10 PJ birol 99 In Deutschland wurden im gleichen Jahr 14 320 PJ Energie ben tigt bmw1 99 Dabei st tzt sich die Erzeugung von Energie sowohl in Deutschland als auch weltweit haupts chlich auf die fossilen Energietr ger l Gas und Kohle Allein Erd l besitzt f r beide r umlichen Betrachtungen Anteile von 40 am Gesamtenergieverbrauch Die fossilen Energietr ger werden durch Verbrennung in W rme und oder Elektrizit t umgewandelt Nur geringe Anteile des Energiebedarfs werden heute aus regenerativen Energiequellen gedeckt Weltweit dominiert die Wasserkraftnutzung dieses Segment Gr ere Anteile als die erneuerbaren Energien am PEV besitzt die Kernenergie die aber aus sicherheitstechnischen Gr nden und einer nicht gel sten Endlagerung der radioaktiven Abf lle
109. is com Zentrum f r Sonnenenergie und Wasserstoffforschung Ulm www zsw uni ulm de Brennstoffzellensysteme Brennstoffzellensysteme mit einer Leistung gr er 1kW sind im Augenblick nicht kommerziell verf gbar Ein weiteres Problem dieser Systeme stellt die Wasserstoffversorgung dar Auf Grund der hohen Leistungen kann diese nicht mehr mit einzelnen Gasflaschen realisiert werden Entweder m ssen die Anlagen mit einem Reformer an das Erdgasnetz angeschlossen werden oder ber Gasversorgungseinrichtungen durch Flaschenb ndel bzw Gas Trailer versorgt werden Die Energiezufuhr wird technisch aufwendig und grenzt die Mobilit t des Systems deutlich ein Zahlreiche Hersteller entwickeln Systeme die sich zur Konzeption zum Aufbau eines Brennstoffzellenmodells 62 Zeit in der Erprobungsphase befinden Nur durch technische wissenschaftliche und finanzielle Mitwirkung an einem dieser Pilotprojekte ist ein derartiges System im Augenblick zu beschaffen Die Hersteller dieser relativ kleinen Systeme konzentrieren sich auf die Entwicklung von Hausenergiesystemen und werden in der Studienarbeit Perspektiven von Brennstoffzellen in der Hausenergieversorgung strup 00 n her beleuchtet Das einzige derzeit kommerziell verf gbare System ist das Brennstoffzellen BHKW der Firma ONSI Kanada mit einer Leistung von 250 kW 6 3 Auswahlkriterien und Kaufentscheidung Die Zielsetzung lie nur ein System aus der Kategorie Demonstrationsmodelle oder Versu
110. kg kW das eines Brennstoffzellen Systems aus Wasserstoffaufbereitung Zelle und Elektromotor ca Akg kW Verbrennungsmotoren besitzen hingegen Leistungsgewichte von nur 1 kg kW oertel 97 Um wirtschaftliche Perspektiven zu schaffen geht man im mobilen Anwendungsfall von einem maximalen Investitionsvolumen f r ein Brennstoffzellen Antriebsaggregat von 100 DM kW aus vdew 99 Die weitere Entwicklung der PEM Zelle im mobilen Anwendungsbereich geht in die Optimierung der beiden genannten Faktoren zur Herstellung der Konkurrenzf higkeit der neuen Antriebssysteme Zur Zeit laufen bei fast allen Automobilkonzernen Demonstrationsprojekte im PKW und im Nutzfahrzeugbereich Die und zeigt das Konzept von Daimler Chrysler den Necar 4 auf der Basis der konventionellen Modellreihe der A Klasse Zur Zeit st das Fahrzeug zur Demonstration auf dem M nchner Flughafen m Einsatz PEM Zelle 56 T be S sl is a a ei in T Dr Fe E pi ne er SE ers Sr Abbildung 5 7 Einsatz des BZ Fahrzeuges auf dem M nchner Flughafen daimler 00 Auch im Bereich der Nutzfahrzeuge sind fortgeschrittene Entwicklungen zu verzeichnen Abbildung 5 8 und Abbildung 5 9 geben einen Einblick in die Entwicklungen eines Niederflurbusses mit PEMFC Antrieb Abbildung 5 8 Designstudie eines Niederflurbusses mit PEMFC Technologie daimler 00 PEM Zelle 57 Abbildung 5 9 Produktpalette verf gbarer no emission Nutzfahrzeuge daimler 00 5 3 2 P
111. larplatten mit den Gasleitungsnuten sind deutlich wiederzufinden Weiterhin ist noch ein K hlkreislauf integriert Strom fui kalhode i J Zelle I Matrix Elektrolyt E an E m a i pe Anode P ATAA 2 luf m ER BE Sauerstoff bipolare Platte K hl platte r hlfl ssigkeit hlfl ssiekeit Brenngas Wasserstoff Abbildung 5 4 Aufbau eines Brennstoffzellenstacks oertle 97 Abbildung 5 5 zeigt die zwei Bipolarplatten und der Membran Elektroden Einheit einer PEM Brennstoffezelle aus dem Fertigungsprozess PEM Zelle 54 Abbildung 5 5 Bipolarplatten und MEA einer PEM Brennstoffzelle bine 98 5 2 Betriebsdaten und Eigenschaften 5 2 1 Abmessungen Je nach Bauprinzip haben die Einzelzellen eine Dicke von 3 bis 5 mm und Au enabmessungen bis zu 400 x 400 mm ledjeff 95 Zellstapel k nnen aus mehr als 100 Einzelzellen bestehen helio1 99 5 2 2 Betriebstemperatur Die f r die Ionenleitung notwendige permanente Anfeuchtung der Membran begrenzt die Betriebstemperatur einer PEMFC auf 100 C Bei Druckbetrieb bis max 10 bar s nd n bestimmten Anwendungsf llen auch h here Temperaturen m glich heliol 99 Die Temperaturbegrenzung hat den Vorteil dass keine au ergew hnlichen Materialprobleme entstehen Allerdings liegt das Temperaturni veau der auskoppelbaren Nutzw rme nur im Ni edertemperaturbereich von 40 70 C was den Einsatz der PEMFC in der Kraft W rme Kopplung begrenzt 5 2 3 Brenngasauf
112. le n naher Zukunft ein ernstzunehmendes Konkurrenzprodukt zum Verbrennungsmotor sein Eine massive Marktdurchdringung geht aber mit einer notwendigen deutlichen Kostenreduktion einher Dies ist durch die Weiterentwicklung von kosteng nstigen Herstellungsverfahren f r Elektroden und Membranstrukturen realisierbar Die Reduktion des Materialverbrauchs bei der Dotierung der Brennstoffzellen Elektroden mit Edelmetallkatalysatoren dient als gutes Beispiel f r bereits genutzte Kostenreduktionspotenziale n der Herstellungstechnik Das Hauptaugenmerk der weiteren Entwicklungsarbeit liegt generell in der Umsetzung einfacher und robuster Aufbauten und einer Steigerung der Zellen Lebensdauer Speziell f r die PEMFC ist Weiterentwicklung der DBrenngasaufbereitung die Verbesserung des Systemwirkungsgrades und die Senkung der Investitionskosten von Interesse Kostenentwicklung Eine deutliche Senkung der Kosten entsteht durch Serienfertigung der Zellen in hohen St ckzahlen Absch tzungen erlauben maximale Kosten von 3 000 DM kW im station ren Betrieb und 100 DM kW m mobilen Einsatz zur Wahrung der Konkurrenzf higkeit Diese Werte werden bei St ckzahlen von 100 000 pro Jahr realistisch Ob aber der Impuls zur Markteinf hrung aus der Energiewirtschaft oder der Fahrzeugindustrie kommt bleibt abzuwarten Konzeption zum Aufbau eines Brennstoffzellenmodells 60 6 Konzeption zum Aufbau eines Brennstoffzellenmodells Nachdem die theoretischen Grundlag
113. leichspannungswandler an die Energiewandlungseinheit angeschlossen werden Zur Durchf hrung der Messungen wird eine elektronische Last als Verbraucher angeschlossen Individuelle Verbraucher k nnen direkt oder ber einen zus tzlichen Gleichspannungswandler integriert werden Angedacht sind Verbraucher aus den Nutzenergiebereichen mechanische Energie Beleuchtung und Kommunikation Eine detaillierte Auswahl der Verbraucher kann allerdings nur bei der Umgestaltung des Versuchsstandes als Pr sentationsmodell erfolgen Zu den drei Energiebereichen ist eine messtechnische Sektion integriert Die Aufnahme von elektrischen und thermischen Gr en sowie des Wasserstoff Stromes dienen zur Durchf hrung der Messungen und zur berwachung des Systems Das Teilsystem st modular aufgebaut so dass problemlos einzelne Module entfernt oder gegen andere ausgetauscht werden k nnen Der schematische Aufbau des Versuchs bzw Pr sentationsmodells ist in Abbildung 6 1 w edergegeben Im folgenden Abschnitt 6 5 werden alle Elemente der Versuchsanordnung n her charakterisiert Konzeption zum Aufbau eines Brennstoffzellenmodells 64 10 I Hasche BZ Stack AV T Litar 12 W Mach Enungie Pumpe 12 W 1 Baisuchtung Spartam 120 Railio Abbildung 6 1 Konzeption zur Visualisierung des Kernbereiches einer Wasserstoff Energiewirtschaft 6 5 Beschreibung der Bestandteile des Versuchsstandes 6 5 1 Gasversorgung Druckspeicher Zur Sp
114. len aus der Erd lverarbeitung mittels Vergasung Wasserstoff gewonnen werden Die Eingangsstoffe werden bei Temperaturen von 1 300 bis 1 500 C in einer Flammenreaktion unter Dampf und Sauerstoffzusatz durch partielle Oxidation aufgeschlossen Durch entsprechende Bemessung der Sauerstoff und Wasserdampfmengen l uft die Vergasung autotherm d h ohne u ere Energiezufuhr ab Als Ausgangsprodukte entstehen Kohlenmonoxid Kohlendioxid und Wasserstoff wi nter 89 Reaktionsgleichung CH 4 0 3 H20 0 4 O2 gt 0 9 CO 0 1 CO H2 Gl 3 2 Wasserstoffwirtschaft 12 Partialoxidatoren sind gro technisch einsetzbar und werden mit blichen Kapaz t ten von 100 000 Nm h angeboten Die Investitionskosten einer Anlage inkl Luftzerlegung CO Konvertierung Sauergasabtrennung Schwefelgewinnung Methanisierung und Restgasnutzung mit einer Jahreskapazit t von 800 Mill Nm a liegt in der Gr enordnung von 800 Mill DM Die Wasserstoffgestehungskosten errechnen sich zu ca 25 Pf Nm abh ngig von den Prim renergiebezugskosten und dem Personalaufwand zittel 96 Partielle Oxidation von Kohle Die Vergasung von Kohle entspricht bis auf die dem Prozess vorgeschaltete Kohlebehandlung der Schwer lvergasung Durch eine Vermahlung der Kohle und einer Zumischung von Wasser entsteht eine pumpf hige Suspension mit einem Feststoffgehalt von 50 70 Bei Temperaturen von 1 400 1 600 C l uft die Vergasung autotherm unter Zusatz von Da
115. lpie vollst ndig in elektrische Energie umzuwandeln F r die Wasserreaktion errechnet sich unter Standardbedingungen eine Gleichgewichtsspannung der Zelle von 1 23 V Der Wert verkleinert sich bei steigenden Temperaturen und vergr ert sich bei h heren Dr cken helio1 99 Bei technischen Zellen betr gt die Zellspannung durch h here Betriebstemperaturen und verschiedene Verluste 0 6 0 9 V ledjeff 95 4 3 Wirkungsgrade Der elektrische Wirkungsgrad eines chemischen Energiewandlers ist definiert als Verh ltnis von erzeugter elektrischer Energie zur freigesetzten Reaktionsenergie A H n Wa AH Gl 4 10 In Anlehnung an die Verbrennungstechnik verwendet man blicherweise den unteren Heizwert H oder je nach Anwendungsfall auch den oberen Heizwert Brennwert H anstelle der Reaktionsenthalpie AH n Wa Hu Gl 4 11 4 3 1 Theoretischer elektrischer Wirkungsgrad Bei W rme Kraft Maschinen wird der maximal theoretische Wirkungsgrad durch den Carnot Wirkungsgrad begrenzt n 1 T Tho Gl 4 12 Bei der chemischen Energiewandlung in Brennstoffzellen wird aus der zuvor beschriebenen Thermodynamik der reversiblen Reaktion deutlich dass im Idealfall die freie Reaktionsenthalpie A G vollst ndig in elektrische Energie umgewandelt werden kann Der maximal theoretische Wirkungsgrad Gibbs scher Wirkungsgrad ergibt sich somit aus Gleichung 4 10 als Verh ltnis der freien Reaktionsenthalpie zur Reaktionsenthalpie Nrev A G AH Gl
116. m Gleichspannungswandler DC 20 aus dem System mit einer Spannung von 9 12 V DC versorgt werden ber ein Potentiometer kann die L fterspannung und somit auch die Drehzahl der L fter stufenlos geregelt werden Die jeweils anliegende L fterspannung wird in einem Display angezeigt ber eine 0 5 V Schnittstelle kann die Steuerung der L fter auch extern z B ber einen PC erfolgen Abbildung 6 6 L fterregelung FP 50 der Firma Helicentris Konzeption zum Aufbau eines Brennstoffzellenmodells 68 Elektronische Last Mit Hilfe der elektronischen Last ELP 100 kann das Brennstoffzellen System mit konstanten Lasten beaufschlagt werden Dabei kann entweder ein konstanter Laststrom Betriebsart Stromkonstant oder ein konstanter Lastwiderstand Betriebsart Wi derstandkonstant eingeregelt werden Bei der Durchf hrung der Messungen wird die Anwendung der elektronischen Last empfohlen um konstante Lastzust nde einstellen zu k nnen Ein permanentes Nachregeln des Stromes entf llt bei Verwendung der elektronischen Last ber eine O 5 V Schnittstelle kann die elektronische Last auch ferngesteuert geregelt werden euro 00 zeigt die elektronische Last mit einer digitalen Spannungs und Stromanzeige Abbildung 6 7 Elektronische Last der Firma ET System electronics Gleichspannungswandler Die Gleichspannungswandler DC 2 und DC 50 dAbbildung 6 8 arbeiten als Gleichstromsteller und setzen die Gleichspannung aus dem Brennstoffzellen Stack
117. m Bereich von Erdgas Um einen aussagekr ftigen Vergleich der Brennstoffe n der Anwendung anstellen zu k nnen sollten aber die gesamten Speichergewichte und nicht nur die reinen Brennstoffgewichte ber cksichtigt werden 3 1 3 Sicherheitsrelevante Kenngr en und Eigenschaften Zur Absch tzung der Risiken und Sicherheitsprobleme des Energietr gers Wasserstoff sind die sicherheitstechnisch wichtigen physikalischen und chemischen Eigenschaften verschiedener Brenngase in Tabelle 3 3 zusammen gefasst Wasserstoffwirtschaft 8 Chemisches Zeichen Mb CH Chs Max Verbrennungsgeschwindigkeit cms 3466 43 47 Goch bei max Vol 42 5 10 17 4 27 en 0 i NTP Bedingung Normaltempertaur 293 15 K Normaldruck 1 013 bar Stochiometrisches Gemisch Tabelle 3 3 Sicherheitstechnische Kenngr en winter 89 schmidt3 00 linde2 00 Stochiometrisches Gemisch Das stochiometrische Gemisch gibt das Massenverh ltnis der Reaktanten einer chemischen Verbindung an bei der die quantitativen Gesetze der Chemie erf llt sind Bei der chemischen Verbindung Wasserstoff Luft liegt das stochimetrische Gemisch bei einem Wasserstoffanteil von 29 53 Bei der Reaktion werden 29 53 Gewi chtanteile Wasserstoff und 70 47 Gewichtsanteile Luft ben tigt um die quantitativen chemischen Gesetze der Reaktion zu erf llen Flammentemperatur und Selbstentz ndungstemperatur Die Flammentemperaturen der stochiometrischen Brenngasgemische unte
118. m Gegensatz zu Batterien ohne zeitliche Begrenzung kontinuierlich elektrische Energie geliefert werden nrw 99 4 2 2 Funktionsprinzip Das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle entspricht der Umkehrung der Elektrolyse vgl Kapitel 6 22 Wasserstoff und Sauerstoff werden unter Freisetzung elektrischer Energie in Form von Gleichstrom zu Wasser zusammengef hrt Im Wesentlichen besteht die Brennstoffzelle aus 2 Elektroden der Anode und der Kathode und einem Elektrolyten Der Elektrolyt hat die Aufgaben den Reaktionsraum der Gase zu separieren und einen Ionenaustausch zwischen den beiden Elektroden zu erm glichen Der Elektrolyt muss also gasundurchl ssig und im hohen Ma e onenleitend sein Laugen S uren und Feststoffe sowie Verbundstoffe mit sauren oder alkalischen Eigenschaften erf llen diese Kriterien An den Elektroden erfolgt die Umsetzung der chemischen Energie des Wasserstoffs in elektrische Energie Der Massenfluss des Wasserstoffs wird in einen Fluss elektrischer Energie ber den Elektrolyten und einen u eren Stromkreis umgewandelt Die Elektroden m ssen f r die drei Reaktionspartner Gasmolek le Ionen und Elektronen durchg ngig sein Charakteristisch f r jede Brennstoffzellenelektrode ist die Ausbildung einer Dreiphasenreaktionszone aus Elektrolyt katalytischer Oberfl che und Reaktionsgas Anders als bei Batterien ver ndern sich die Eigenschaften der Elektroden ber die Lebensdauer praktisch nicht oder nur n einem
119. m wieder entzogen werden Vorteilhaft sind die geringen Beladungsdr cke je nach Material bei O bis 10 bar und die Arbeitsweise im Bereich der Umgebungstemperatur Je nach Material kann auch eine Reinigungsfunktion durch das Metallhydrid auf den eingelagerten Wasserstoff integriert werden Die Anwendung dieser Speicher Technologie erstreckt sich Wasserstoffwirtschaft 20 dadurch auch auf Gasreinigungsanlagen Durch das zus tzliche Einbringen von Material verschlechtern sich allerdings die spezifischen Speichergewichte auf 0 21 bis 0 39 kWh kg Im Gegenzug kann aber das spezifische Speichervolumen deutlich erh ht werden Es s nd Werte von 1 1 5kWh l realisierbar Viele elementare Metalle intermetallische Ver bindungen und ein oder mehrphasige Legierungen s nd n der Lage Wasserstoff zu binden Die Auswahl der jeweiligen Materialien in Metallhydridspeichern wird unter Ber cksichtigung der folgenden Kriterien vollzogen gfe 00 Wasserstoffmenge die pro Gewicht und Volumen reversibel gespeichert werden kann Temperatur und Druck bei der der Speicher betrieben werden muss Reaktionsw rme und Bildungsenthalpie der Metallhydridbildung Kinetik der Absorption und Desorption Zyklische Lebensdauer Preis Die Preise richten sich stark nach der Zusammenstellung der Materialen des Speichers die sich aus dem speziellen Anwendungsfall ergibt Pro Kubikmeter Wasserstoff Speicherkapazit t k nnen Preise n folgenden Gr enordnungen angegeben werd
120. meiden Der Wasserstoff Druck sollte langsam erh ht werden und darf einen Wert von 2 0 baraps 1 0 bar berdruck nicht berschreiten 3 Das Sp lventil des Stacks kann wieder geschlossen werden gilt nur bei Dead end Betrieb 4 Entsprechend der Anleitung st der Kurzcheck f r die Zelle vgl Kapitel durchzuf hren 5 Nach erfolgreichem Kurzcheck kann das System warmgefahren werden Dazu ist ein Arbeitspunkt bei einem Strom von rund 1 A und einer L fterspannung von 1 V auszuw hlen Der gew nschte Systemdruck beim Dead end Betrieb 0 2 bis 1 0 bar berdruck bzw der erforderliche Wasserstoff Durchfluss beim Durchflussbetrieb ist einzustellen Beim Durchflussbetrieb st der Wasserstoff Fluss so zu justieren dass m Blasenz hler ca eine Wasserstoffblase pro Sekunde austritt Mit der Versuchsdurchf hrung kann begonnen werden wenn e die Temperatur des Stacks nicht h her als 30 C und e die Leerlaufspannung mindestens 8 8 V betr gt und e die schwarze Glaskugel im Str mungsmesser ruhig schwebt 7 3 Hinweise zur Au erbetriebnahme Zur Einstellung des Betriebes des Brennstoffzellenstacks sind die folgenden Schritte vom Bediener durchzuf hren Trennen Sie die Last von der Brennstoffzelle Schlie en Sie die Wasserstoffversorgung durch Bet tigen der Ventile Schalten S e d e L ftersteuerung aus Vergewissern Sie sich dass die Wasserstoffversorgung geschlossen ist a ne Beschreibung der Messungen 71 8 Beschreib
121. ment einen zus tzlichen Schutz der Bauteile gegen zu hohe Betriebsdr cke Empfehlungen bei der Durchf hrung von Messungen im Dead end Betrieb Bei Stromst rken unter 2 A sollte das Ventil im Abstand von maximal 10 Minuten f r ca 1 Sekunde ge ffnet werden Bei Str men oberhalb von 2 A empfiehlt es sich nach der Aufnahme jedes Datenpunktes f r ca 1 Sekunde das Sp lventil zu ffnen Der Druck im System ndert sich geringf gig wenn sich der Wasserstoffverbrauch im Stack ver ndert S e sollten daher nach Einstellen neuer Lastzust nde den Systemdruck am Manometer des Druckminderers kontrollieren und gegebenenfalls etwas korrigieren Grundlegende Bedienungshinweise 75 7 2 Inbetriebnahme 7 2 1 Kurzcheck der Zelle Bevor das Brennstoffzellensystem n Betrieb genommen werden kann m ssen die Membranen der Zellen auf Dichtigkeit gepr ft werden Defekte Membranen k nnen zur Bildung z ndf higer Wasserstoff Luft Gemische f hren und stellen eine Gefahr dar Das Pr fkriterium ist die Leerlaufspannung des Brennstoffzellenstacks Eine undichte Membran f hrt zu einem berstr men von Wasserstoff auf die Luftseite und zu einer deutlichen Reduzierung der Leerlaufspannung der Zelle Mit der Durchf hrung der Pr fschritte m folgenden Ablaufdiagramm soll die Betriebsbereitschaft der Brennstoffzelle vor jeder Inbetriebnahme sichergestellt werden Wassersioll Versorgung einschalten L fter einschalten Spannung 1 W 3 I
122. mmens der Bundesrepublik von 350 Mrd Nm Erdgas im Jahr 1999 schiffer 00 Die H lfte der Wasserstoffmenge in Deutschland wird energetisch genutzt und in W rme umgewandelt Die W rme und Stromproduktion im Industrie und Raffineriebereich die Beimischung zum Stadtgas und der Einsatz als Synthesegas sind die energetischen Anwendungsfelder 25 des Aufkommens werden nicht energetisch genutzt Davon entfallen 20 auf die Ammoniakherstellung und die restlichen 5 auf den Einsatz in der Eisenerzreduktion der Fettchemie der Halbleiterindustrie der Glasindustrie und der Chlor und Wasserstoffperoxid Produktion Die Petrochemische Industrie hat einen Wasserstoffibedarf von 25 am Gesamtvolumen Die Methanolherstellung und die Veredelung von Energietr gern dominieren diesen indirekt energetischen Bereich zittel 98 DO energetisch E nicht energetisch O indirekt energetisch Abbildung 3 7 Anwendungsbereiche von Wasserstoff in Deutschland zittel 98 Wasserstoffwirtschaft 31 3 7 Bedeutung von Wasserstoff in der Energiewirtschaft Die Verwendung von Wasserstoff hat schon eine lange Tradition Vor allem in Anwendungsbereichen in denen der Energieinhalt pro Gewichtseinheit vor dem pro Volumeneinheit steht findet Wasserstoff zahlreiche Anwendungen Anf nglich als Auftriebsmedium von Ballonen und Zeppelinen genutzt ist er heute als Treibstoff in der Raumfahrt unerl sslich geworden Energiewirtschaftliche Bedeutung erlangte der Wasserstof
123. mpf und Sauerstoff ab Die Vergasungsreaktion wird entweder in einer Flugstaubflamme Koppers Totzek Verfahren in einem abbrennenden Festbett Lurgi Druckvergasung oder in einem abbrennenden Wirbelbett Hochtemperatur Wirbelvergaser durchgef hrt w nter 89 Das Verfahren findet zur Zeit in Kohlef rderl ndern wie China und S dafrika aus Kostengr nden f r die eingesetzte Kohle gro technischen Einsatz Die Investitionskosten einer Kohle Partialox dation mit einer Jahreskapazi t t von 80 Mill Nm a liegen bei 450 500 Mill DM Auch bei diesem Verfahren dominieren die Kosten f r den Prim r energietr ger Kohle und den Personalaufwand in der Berechnung der Wasserstoff gestehungskosten Diese werden mit ca 30 Pf Nm angegeben zittel 98 Konvertierung Das Wasserstoffgewinnungsverfahren der Konvertierung findet vornehmlich Anwendung als Anschlussprozess zum Dampfreforming und zur Vergasung Dem wasserstoffhaltigem Rohgas wird Wasserdampf im berschuss beigemischt An einem Katalysator konvertiert das Kohlenmonoxid m Gasgemisch zu Wasserstoff und Kohlendioxid Zur Erh hung des CO Umsatzes bei einem Dampf berschuss wird eine doppelstufige Konvertierung mit einer Hochtemperaturstufe von 300 bis 500 C und einer anschlie enden Tieftemperaturstufe mit 200 C eingesetzt winter 89 Reaktionsgleichung CO H20 CO H Gl 3 3 Nachbehandlung von Wasserstoff Die Nachbehandlung des wasserstoffreichen Gases gilt n
124. n aus por sen Kohlenstoffmatten mit einem eingelagerten Katalysator Der Katalysator blicherweise ein Edelmetall w e Plat n oder Ruthenium beschleunigt die Reaktion und wird auf der Membran zugewandeten Seite in die Elektrode eingebracht Elektrode und Membran werden hei verpresst so dass die Membran in die Elektrode hineinragt Dadurch bildet sich an den Grenzfl chen der Materialien die Drei Phasen Reaktionszone aus Gas Katalysator und Elektrolyt Der Katalysator hat sowohl Kontakt zum Gas als auch zum Elektrolyten In diesen katalytischen Zentren laufen die elektrochemischen Prozesse ab ledjeff 95 Zur Erh hung der Konversionsrate ist man bestrebt m glichst viele und kleine lt 10nm Katalysatorteilchen auf einer m glichst gro en Elektrodenoberfl che zu verteilen um die wirksame Fl che deutlich zu vergr ern heliol 99 Durch die Max mierung der Reaktionsoberfl che konnte die Edelmetallbelegung von 4 mg cm im PEM Zelle 32 Laufe der Forschungs und Entwicklungsarbeit inzwischen auf Werte bis zu 0 1 mg cm reduziert werden ledjeff 95 Abbildung 5 2 veranschaulicht den Aufbau einer Membran Elektroden Einheit mit den Reaktionszentren und die dort ablaufenden Prozesse Raaktlionszenlran Membran Elekiroden Anada Kaihods Elskiratyi Pohrmerinee Abbildung 5 2 Schnitt durch eine Membran Elektroden Einheit mit den Prozessabl ufen helio1 99 Um geeignete Leistungen und Spannungen zu erreichen
125. n des Energietr gers von Bedeutung In s nd die massen und volumenbezogenen Energiedichten verschiedener Brenngase und Treibstoffe in unterschiedlichen Speicherformen bezogen auf den Heizwert aufgef hrt zittel 98 Energietr ger Speicherform Massenbezogene Volumenbezogene Energiedichte Energiedichte kWb kg kWh l a C 3 0 0 Gas300br 33 05 Fl ssig mit 273 C Metllydrid 058 3 0 Gs2 br 1390 30 0 Gas300bar 13900 38 F sigmit 162 C 13970 58 Tabelle 3 2 Energiedichten verschiedener Energietr ger und Speicherformen zittel 98 Ein Vorteil von Wasserstoff gegen ber konventionellen Brennstoffen liegt n der spezifischen Energiedichte pro Masseneinheit 1 kg Wasserstoff enth lt mehr als doppelt so viel Energie wie 1 kg Erdgas oder fast dreimal so viel Energie wie 1 kg Diesel Der Energiegehalt von Wasserstoff pro Volumeneinheit hingegen kann mit dem anderer Brennstoffe n cht mithalten Die bisherige Anwendung von Wasserstoff als Energietr ger spezialisiert sich aus diesem Grund auf die Bereiche in denen das zu transportierende Gewicht von Bedeutung ist z B in der Raumfahrt oder im milit rischen Bereich Um in Einsatzgebiete vorsto en zu k nnen in denen das nutzbare Speichervolumen dominiert sind neue Speicherformen von Wasserstoff n der Entwicklung Die massenspezifische Energiedichte von fl ss gem Wasserstoff LH gt oder von Wasserstoff n einem Metallhydridspeicher liegt schon
126. nd ist wesentlich kostspieliger als Perlite Fl ss gwasserstoffspeicher gro er Volumina werden haupts chlich als Treibstofflager f r die Raumfahrt eingesetzt Der gr te Fl ssigwasserstoffspeicher befindet sich bei der NASA in Cape Canaveral Der Kugelspeicher hat einen Durchmesser von 20 m und ein Speichervolumen von 3 800 m was ca 270 t fl ssigem Wasserstoff entspricht Durch eine Perlit Vakuumisolierung und die Gr e des Speichers lassen sich die Speicherverluste verringern Abdampfraten von 0 03 pro Tag sind durchaus erreichbar Kleinere Speicher als Stand oder Transportbeh lter erreichen je nach Isolierungsart und Geometrie Abdampfraten von 0 4 bis 2 pro Tag Fl ssigspeicher sind in allen Gr enordnungen ab 100 Litern bei den Herstellern technischer Gase erh ltlich bliche Standtanks in den Gr enordungen von 1 500 1 1 100 m bis 75 000 1 60 000 m erreichen Durchmesser von 1 4 bis 3 8 m und H hen von 3 bis 14 Metern b Mobile Fl ssiggasspeicher hnlich der Druckgasspeicher f r den Einsatz in Fahrzeugen findet auch eine Entwicklung mobiler Fl ssiggasspeicher statt Tanks aus 200 300 Lagen d nner Isolierfolien erreichen spezifischen Speichergewichte und volumina von 4 5 kWh kg und 2 13 KWh 1 Metallhydridspeicher Metallhydridspeicher sind Speicherbeh lter Tanks oder Flaschen die mit bestimmten Metalllegierungen gef llt sind Der Wasserstoff wird in das por se Material eingebunden und kann ih
127. nden praktisch gepr gten Teil der Arbeit wurde eine Marktanalyse im Bereich Brennstoffzellentechnik durchgef hrt ein Konzept f r ein Experimentiersystem entwickelt und die Umsetzung des Konzeptes betreut Zur Untermauerung der theoretischen Kenntnisse werden praktische Messungen an einem Versuchsstand demonstriert die problemlos auf die praktische Ausbildung von Ingenieuren an der FH Bielefeld in Form von Praktika projiziert werden k nnen Ein Entwurf zur Umsetzung des Pr sentationsmodells und dessen Kommunikation wird am Ende dieser Arbeit vorgestellt Die Gestaltung des Pr sentationsaufbaus und die Kommunikation der Inhalte werden Bestandteil einer Folgearbeit sein Das Brennstoffzellen Modell soll im ersten Entwicklungsschritt den Kernbereich einer Wasserstoff Energiewirtschaft veranschaulichen Die Anordnung umfasst die Teilsysteme der Energiespeicherung der Energiewandlung und der Energieanwendung einer vom Wasserstoff gepr gten Energiewirtschaft Durch eine Erweiterung der Anordnung um den Bereich der Energieerzeugung aus regenerativen Energien kann der geschlossene Kreislauf einer solaren Wasserstoffwirtschaft vgl Kapitel modellhaft dargestellt werden Dazu k nnte die durch Windkraftanlagen oder Photovoltai kmodule erzeugte elektrische Energie mittels eines Elektrolyseurs den f r die Experimentieranordnung notwendigen Wasserstoff produzieren Die m gliche Bedeutung des Wasserstoffs in der Energieversorgung der Zukunft h ngt stark
128. nderen Kraftstoffen kann der Einsatz von Erdgas Wasserstoff Gemischen aber durchaus standhalten Besonders n der Schadstoffemission kann der Gasmotor berzeugen Das Entwicklungspotenzial eines reinen Wasserstoffmotors ist allerdings durch andere Technologien w e der Brennstoffzelle begrenzt und wird in der Zukunft wohl auch keine besondere Rolle spielen zittel 98 Wasserstoffspezifische Techniken a Katalytische Brenner Bei dem seit langem bekannten Prinzip des D bereiner Feuerzeugs findet eine kalte Verbrennung statt d h es entsteht keine Flamme Wasserstoff und Sauerstoff werden an einem Katalysator zusammengef hrt Der Katalysator beginnt zu gl hen und erzeugt W rme Der Temperaturbereich erstreckt sich von knapp oberhalb der Umgebungstemperatur bis zu einigen hundert Grad Der entscheidende Vorteil ist die v llig emissionsfreie Verbrennung Anwendung k nnte das Verfahren in der Raumheizung finden Der entstehende Wasserdampf als Abgas k nnte zur Regulierung der Raumluftfeuchte verwendet werden Katalytische Brenner f r Fl ssiggas sind schon in verschiedenen L ndern in Betrieb Der Einsatz von Wasserstoff bedarf aber noch eigener Entwicklungsarbeit m Bereich der Katalysatoren der Sicherheitstechnik und der Konzeption gesamten Heizsysteme winter 89 b Hy O2 Dampferzeuger Von dem Raketenprinzip wurde der H gt O5 Dampferzeuger abgeleitet Ein stochiometrisches Wasserstoff Sauerstoff Gemisch wird kontrolliert zu Was
129. ne Ursache f r die Umgestaltung der bisherigen Strukturen in der Energiebereitstellung verteilung und nutzung Aber auch ein wachsendes kologisches Bewusstsein in der Bev lkerung und konomische Betrachtungen bilden den N hrboden f r die Entwicklung und Marktdurchdringung neuer Energieerzeugungs und Energiewandlungs Techniken Die Akzeptanz bei den Menschen und der Wissensstand ber neuen Technologien erweisen sich in der Durchsetzung neuer Konzepte als Multiplikator Ziel dieser Arbeit ist es eine m glicherweise in Zukunft weit verbreitete chemische Energieumwandlung mittels Brennstoffzellen in die Ingenieurausbildung an der Fachhochschule Bielefeld Fachbereich Elektrotechnik zu implementieren Die Veranschaulichung dieser Technologie soll sowohl theoretisch als auch praktisch durch Messungen an einem Experimentiersystem erfolgen Am Anfang der Arbeit steht eine umfangreiche Marktanalyse der Hersteller und Lieferanten von Brennstoffzellensystemen Die Produktpalette wurde auf geeignete Komponenten zur Umsetzung des Experimentiersystems untersucht Die theoretische Ausarbeitung charakterisiert zun chst Wasserstoff als Rohstoff und Energietr ger und gibt einen berblick ber die heutige Wasserstoffwirtschaft Des weiteren wird ein Ausblick auf die Struktur einer zuk nftig m glichen solaren Wasserstoffwirtschaft gegeben Die Theorie die Funktionsweise und das Betriebsverhalten von Brennstoffzellen wird allgemein und speziell am Beisp
130. nehmen Sie dann die Leerlaufspannung und den Wasserstoff Durchfluss auf 8 Integrieren Sie die Last wieder in den Versuchsaufbau Stellen Sie mit der elektronischen Widerstandslast die vorgegebenen Stromwerte ein Ver ndern Sie den Strom dabei nicht sprunghaft da in diesem Fall die Str mungsbedingungen so stark gest rt werden dass es einige Minuten dauern kann bis sich die Kugeln im Durchflussmesser wieder stabilisiert haben Nach einer Wartezeit von 1 Minute pro Messpunkt zur Stabilisierung der Werte k nnen die Daten f r Strom Spannung und Durchfluss aufgenommen werden Verweilen Sie nicht zu lange bei den Messpunkten damit sich die Parameter Temperatur und Membranfeuchte nicht zu stark ver ndern Dies gilt insbesondere f r Stromst rken ber 4 A Anhand der Position der schwarzen Glaskugel und der metallischen Kugel im Durchflussmesser kann der Wasserstoff Durchfluss bestimmt werden Die schwarze Glaskugel ist zur Messung kleiner die metallische Stahlkugel zur Erfassung gro er Durchfl sse vorgesehen Verwenden Sie die Stahlkugel wenn diese beginnt ruhig zu schweben damit eine h here Messgenauigkeit erzielt wird Ma geblich bei der Ablesung ist die Mitte der Kugel Die Messung ist abzubrechen wenn die Spannung des Stacks unter 4 0 V sinkt oder die Temperatur ber 45 C steigt Messwerttabelle Hinweis Nehmen Sie die Stromwerte bis auf 2 Kommastellen und den Wasserstoff Durchfluss bis auf einen Teilstrich genau au
131. ng 3 3 gibt einen berblick ber die verf gbare Wasserstoffspeichertechnik und ber zuk nftige Verfahren stami iber Technik beur Konzejele Stand iter Technik m sitial spie khau era HEI cralllivelridhpeng AT siatlunir wimi ile sinibnmir station r kabimobh le Indistris Energien inischuft Abbildung 3 3 Verf gbare und zuk nftige Wasserstoff Speichertechniken winter 97 abelle 3 7 kennzeichnet die verschiedenen Wasserstoff Speichermethoden in Bezug auf die spezifischen Speichergewichte inklusive des Speichermaterials vornehmlich f r mobile Anwendungen Speichertechnik Speicherform Massenbezogene Volumenbezogene Energiedichte Energiedichte 0 5 1 0 2 1 Tabelle 3 7 Spezifische Speichergewichte der verschiedenen Wasserstoff Speichertechniken Stahlspeicher 300 bar __ gasf rmig 10 Wasserstoffwirtschaft 22 3 3 3 Transport Transport von Druckwasserstoff Druckwasserstoff CGH gt wird heute meist in mobilen Drucktanks mit 200 bar und Speichervolumina von 2 400 3 600 Nm per LKW oder Eisenbahn transportiert Werden regelm ig gr ere Mengen Wasserstoff ben tigt st ein Transport zwischen Hersteller und Verbraucher auch per Pipeline m glich Dazu werden meist mehrere Produzenten und Verbraucher an das Pipelinenetz angeschlossen In Deutschland existieren 2 gro e Verteilnetze f r Druckwasserstoff Die H ls AG betreibt eines im Ruhrgebiet und Linde unterh lt ein Netz im Indus
132. nicht unbedenklich erscheint Abbildung 2 1 und Abbildung 2 2 zeigen den Energiemix zur Deckung des weltweiten und des deutschen Prim renergieverbrauchs Prim r erergieverbrauch 1988 imema ange 1 TE Abbildung 2 2 Prim renergieverbrauch Deutschlands 1998 bmwi 99 Notwendigkeit neuer Energiekonzepte 3 Laut Prognosen der International Energy Agency IEA der Energy Information Administration EIA und des International Institute for Applied System Analysis wird der Weltenergieverbrauch bis zum Jahr 2020 um weitere 60 steigen schlesinger 00 In den Industriestaaten geht man von einer Stagnation bzw einer leichten Reduktion des Energiebedarfs bis 2020 aus Um so dramatischer wird der Energieverbrauch f r die asiatischen Staaten prognostiziert Die zunehmende Technisierung und Mobilisierung der Menschen in den Schwellenl ndern f hrt zu einer Angleichung des Pro Kopf Energieverbrauchs von derzeit weniger als 30 kWh pro Person und Tag an das Niveau der Industriestaaten im Bereich von 90 bis 220 kWh pro Person und Tag hein 96 Das stetige Bev lkerungswachstum in diesen Regionen ist ein weiterer Multiplikator f r den dramatischen Anstieg des Weltenergieverbrauchs Im letzten Jahrhundert hat sich die Weltbev lkerung von 1 5 Mrd auf rund 6 Mrd Menschen vervierfacht Allein in den 90 er Jahren ist die Zahl der Menschen um 16 gewachsen Die H lfte der 6 Mrd Erdenb rger lebt zur Jahrtausendwende in St dten Prognosen gehen
133. nlage werden auf 300 Mill DM gesch tzt zittel 96 b Kleine Reformer und partielle Ox datoren Der bertragung der technisch bereits ausgereiften Gro anlagen auf kleinere Energieeinheiten gilt die weitere Entwicklungsarbeit Einsatz finden diese Kleinanlagen in mobilen Anwendungen wie Fahrzeugen oder in kleinen station ren Einheiten wie Heizanlagen BHKW etc Dabei ist die Partialox dation von Methanol oder Diesel auf Grund des notwendigen niedrigen Temperaturniveaus dem Erdgasreformierung im Augenblick berlegen Weitere Entwicklungspotenziale beim Reforming Prozess zeigen sich wenn auch die anfallende Prozessw rme genutzt werden kann zittel 96 3 2 2 Elektrolyse Unter der Elektrolyse versteht man die Zersetzung von Wasser H20 in seine Bestandteile Wasserstoff H2 und Sauerstoff O2 durch Energiezufuhr in Form von elektrischer Energie Die elektrische Energie kann dabei ihren Ursprung sowohl in einem Prim renergietr ger haben als auch durch regenerative Energien gewonnen werden Die Elektrolyse besteht aus zwei Teilreaktionen an den beiden Elektroden welche sich in einem onenleitenden Elektrolyten befinden An der negativen Elektrode Kathode entsteht Wasserstoff und an der positiven Elektrode Anode Sauerstoff Durch einen Austausch von Ionen findet der notwendige Ladungsaustausch statt Die beiden Reaktionsr ume werden mit einem ionendurchl ssigen Diaphragma voneinander separiert um eine Vermischung der Produktionsgase z
134. nmaerung EEE Fichtrolyin Endenergletr ger t Ja ENEE Antrieb arme K lte Abbildung 3 10 Entwicklung zu einer solaren Wasserstoffwirtschaft nrw 99 Brennstoffzellen 35 4 Brennstoffzellen In den Studienarbeiten Dezentrale Energiewandler cholo 99 und Perspektiven von Brennstoffzellen in der Hausenergieversorgung strup 00 werden elementare Grundlagen der Brennstoffzellentechnologie sowie verschiedene Brennstoffzellentypen erl utert Diese Ausf hrungen dienen als Basis f r eine weiterf hrende Betrachtung der Brennstoffzellen m Kontext der vorliegenden Arbeit Typenspezifische Ausf hrungen beschr nken s ch auf den im Versuchaufbau integrierten Typ der Polymer Elektrolyt Brennstoffzelle PEMFC 4 1 Geschichtliche Entwicklung Die Entdeckung des Brennstoffzelleneffektes 1838 geht auf Christian Ferdinand Sch nbein zur ck der n Versuchen aus einem Elektrolyten ohne eine chemische Umwandlung der Elektroden elektrische Energie erzeugte sulzer 00 1839 untersuchte der Engl nder William Robert Growe den Effekt weiter und deutete hn als umgekehrte Elektrolyse Er beschrieb eine galvan sche Gasbatterie welche mittels kalter Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff elektrischen Strom erzeugt Durch Serienschaltung versuchte er die Leistung der Einzelelemente zu erh hen Einer Weiterentwicklung und Verbreitung des Prinzips zur Elektrizit tserzeugung standen zu dem Zeitpunkt scheinbar unl sbare
135. ns Entwickler Power C Fuji Japan USA Westinghouse Hersteller Siemens D ERC USA Sulzer CH DeNora MTU D Spezifische K 20 000 7500 k A Investitions DM kW DM kW a kosten 1999 Z elvorgabe Station r 2200 DM kW 2000 DM kW 1800 DM kW spezifische 1000 DM kW a Investitions Mobil kosten bei 100 DM kW Serienfertigung D AFC alcaline fuel cell Alkalische Brennstoffzelle 2 PEMFC proton exchange membrane fuel cell Polymerelektrolyt Brennstoffzelle gt PAFC phosphoric acid fuel cell Phosphorsaure Brennstoffzelle MCFC molton carbonate fuel cell Schmelzkarbonat Brennstoffzelle gt SOFC solid oxide fuel cell oxidkeramische Brennstoffzelle Brennstoff Erdgas Tabelle 4 1 Kenndaten verschiedener Brennstoffzellentypen vdew 99 4 5 Anwendungen von Brennstoffzellen Die Anwendungsfelder von Brennstoffzellen liegen im Kern in der dezentralen Erzeugung elektrischer Energie Die Anwendungsbereiche teilen sich auf in den station ren Bereich der Kraft W rme Kopplung KWK und den mobilen Einsatz W hrend bei der KWK die elektrische und thermische Energie genutzt wird ist im mobilen Einsatz in Fahrzeugen nur die elektrische Energie von Bedeutung Im mobilen Einsatzfeld finden aus diesem Grund vorwiegend die Niedertemperaturzellen einen Anwendungsfall Brennstoffzellen 50 abelle 4 2 macht die Anwendungsfelder der einzelnen Brennstoffzellentypen deutlich und gibt eine Aussage ber
136. nte 4124 J kgK T konstante Temperatur des Gases p Anfangsdruck p2 Enddruck Durch den logar thmischen Zusammenhang zwischen Verdichtungsarbeit und Druckverh ltnis ben tigt man f r eine Verdichtung von 1 bar auf 10 bar etwa gleich viel Energie wie f r eine Kompression von 10 bar auf 100 bar Die Wahl des oberen Druckniveaus h ngt in erster Linie von dem maximal zul ssigen H chstdruck des Speichermediums ab da Wasserstoffwirtschaft 18 s ch der energetische Mehraufwand durch einen unwesentlich h heren Druck n Grenzen h lt Durch die fortgeschrittene technische Entwicklung im Bereich der Erdgaskomprimierung sind f r die Wasserstoffverdichtung Anlagen in allen m glichen Gr enordnung und Leistungen verf gbar Je nach erforderlichem Ausgangsdruck werden mehrstufige Verdichter angewandt Anlagen im MW Bereich zur Vorbereitung des Gases auf dem Ferntransport per P peline wie beim Erdgas werden heute noch nicht eingesetzt da f r diese Anwendung die Verfl ssigung des Wasserstoff gr ere Perspektiven liefert Verfl ssigung Der Anlieferdruck des Wasserstoffs zur Verfl ssigung muss mindestens 20 bar betragen Die Verfl ssigung erfolgt durch Verdichtung und anschlie ende irreversible Entspannung ber Drosselventile oder teilweise reversible Entspannung mit Entspannungsmaschinen Die erste der in der Regel sechs W rmetaucherstufen wird mit Fl ssigstickstoff mit einer Temperatur von 63 K vorgek hlt Am Ende des Prozesses hat
137. nzelnen Kosten der Erzeugung der Umwandlung und der Verteilung zusammen Je nach Kombination der einzelnen Teilprozesse ergeben s ch verschiedene Nutzenergiekosten In Tabelle 3 9list die Kostenrechnung f r den mar timen Wasserstofftransport aus Kanada f r die Stadt Hamburg beispielhaft durchgef hrt worden Tabelle 3 9 Kostenaufschl sselung f r den Wasserstofftransport zittel 96 Wasserstoffwirtschaft 29 Um die Gesamtkosten beurteilen zu k nnen ist die Effizienz des Energietr gers von Bedeutung Es ist zu erwarten dass ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellenantrieb im Teillastbetrieb Stadtverkehr um den Faktor 2 effizienter ist als ein vergleichbares Dieselfahrzeug Unter Ber cksichtigung dieses Aspektes k nnen die Treibstoffkosten durchaus um den Faktor 2 gr er sein oder umgekehrt die Investitionskosten k nnen sich bei gleichen Treibstoffpreisen verdoppeln ohne d e Gesamtsystemkosten zu ver ndern 3 6 Zahlen zur Wasserstoffwirtschaft 3 6 1 Erzeugung Weltweit werden j hrlich rund 500 Mrd Nm Wasserstoff umgesetzt Bei chemischen Prozessen fallen 190 Mrd Nm oder 38 der Wasserstoffmenge als Nebenprodukt an Bei der Chor Alkali Elektrolyse PVC Herstellung werden rund 10 Mrd Nm Wasserstoff freigesetzt zittel 98 Die Erzeugung von Wasserstoff basiert zu 97 auf fossilen Energietr gern Nur 2 5 der gesamten Menge werden elektrolytisch gewonnen Die Wasserelektrolyse besitzt nur einen halben Prozentpunkt
138. ommenden Jahrzehnten vielmehr mit den klimatischen Auswirkungen unseres derzeitigen Energieverbrauches besch ftigen m ssen Der Anstieg des globalen PEV geht einher mit steigenden Emissionen Besonders das Treibhausgas Kohlendioxid CO2 welches bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Energietr ger entsteht w rd derzeit weltweit diskutiert Der anthropogene Treibhauseffekt wird zu 50 diesem Gas zugeschrieben 1999 wurden weltweit 24 Mrd Tonnen Kohlendioxid freigesetzt Nordamerika China Japan die GUS Staaten und Europa emittieren fast 2 3 des gesamten Kohlendioxids Wobei n den meisten dieser Staaten ein weiterer Zuwachs vorhergesagt wird Allein in China stieg der CO2 Aussto von 1990 bis 1997 um 34 bmwi 99 Die Bundessrepublik verursacht mit 859 Mio Tonnen f r das Jahr 1999 einen Anteil von ca 4 der weltweiten CO gt Emssionen schiffer 00 Abbildung 2 3 gibt Aufschluss ber die globale Verteilung der energiebedingten CO gt Emissionen Notwendigkeit neuer Energiekonzepte 4 Energiebedingte CO Emissionen nach LAndergruppen 1997 24 192 Mio t CO Mirllerer Dah Deutschland BEN REN 4 E a Ba s s hij Arn jahne Deutschland peir aa 15 Li cj Amerka JH Ask Daanen Amka 31 36 Abbildung 2 3 Globale Verteilung der Kohlendioxid Emissionen 1997 bmwi 99 abelle 2 1 zeigt die Entwicklung der CO gt Emissionen der Bundesrepublik f r die jeweiligen Verbrauchsektoren und Energietr ger im Zeitraum v
139. omprimierung von Wasserstoff liegen n der Gr enordnung der Erdgaskomprimierung bei gleicher Druckbasis und gleichen Volumen Durch den um 2 3 geringeren Energieinhalt pro Volumeneinheit von Wasserstoff vgl Tabelle 3 1 verdreifachen sich die Kosten gegen ber Erdgas bezogen auf den Energieinhalt des Energietr gers Je nach Durchsatz der Komprimierungsanlage k nnen Kosten von 10 bis 30 Pf Nm veranschlagt werden zittel 98 3 5 3 Transport und Verteilungskosten Nach heutiger Erkenntnis st ber gr ere Entfernungen nur ein Transport von Fl ssigwasserstoff wirtschaftlich sinnvoll zeigt die Aufschl sselung der Kosten verschiedener Transportmittel f r Fl ssigwasserstoff aus unterschiedlichen Regionen der Erde Die Kosten gelten von der Erzeugungsst tte bis zum Verbraucher n Hamburg zittel 96 Erzeugung Transport Gesamtkosten Pf kWh Pf kWh Pf kWh LH Tanker aus Kanada 9 15 30 LH Container aus Norwegen LH gt Container aus Kanada KA 8 18 20 CGH Beh lter 200 bar aus Island Tabelle 3 8 Transportkosten von Wasserstoff zittel 96 Endverteilung Die Verteilung an den Endverbraucher au erhalb Hamburgs erfolgt mittels Tankwagen Die Kosten sind entfernungsabh ngig F r eine Strecke Hamburg Dresden sind Endverteilungskosten von ca 6 Pf kWh zu veranschlagen zittel 98 3 5 4 Nutzenergiekosten Die Kosten die f r die Bereitstellung der Nutzenergie entstehen setzten sich aus den ei
140. on 1990 bis 1999 I 11990 11995 1998 1999 Summe energiebedingte Emissionen Industrieprozesse Insgesamt Nach Energietr gern Miot Mineral l Steinkohle Braunkohle Naturgase Sonstige Energietr ger Summe energiebedingte Emissionen D bei Industriekraftwerken nur Stromerzeugung 2 briger Umwandlungsbereich verarbeitendes Gewerbe und briger Bergbau Erdgasverdichterstationen bei Industriekraftwerken nur W rmeerzeugung gt Land Forst und Bauwirtschaft Milit r Schienen K sten und Binnenschiffsverkehr nationaler Luftverkehr einschlie lich milit rische Dienststellen gt ohne energiebedingte Emissionen insbesondere Fl ssiggas Raffineriegas sowie Stadt Kokerei Gichtgas Tabelle 2 1 CO Emissionen der Bundesrepublik nach Verbrauchssektoren und Energietr gern schiffer 00 Notwendigkeit neuer Energiekonzepte 5 Im Zeitraum von 1990 bis 1999 sind die CO 2 Emissionen Deutschlands kontinuierlich um insgesamt 155 Mio t oder 15 5 gesunken Verglichen zum Vorjahr sank die Kohlendioxid Emission in 1999 um 3 Hauptverantwortlich f r diese Entwicklung ist neben umgesetzten Energieeinsparungen die Substitution kohlenstoffhaltiger Energietr ger wie Braun und Steinkohle durch kohlenstoff rmere wie Erdgas oder Erd l Die Modernisierung des Kraftwerksparks und der Hausenergieversorgungen in Ostdeutschland nach der Wiedervereinigung hat zu einer deutlichen Minderung des CO2 Aussto es gef hrt Die
141. ortable Anwendungen Im Bereich von Kleinger ten von 1 bis 500 Watt ist man bestrebt die Akku und Batterietechnik durch den Einsatz von kleinen PEM Zellen mit Wasserstoffspeicher Metallhydridspeicher zu substituieren Die Anwendung konzentriert sich vor allem auf Laptops Camcorder und Mobiltelefone In ist eine portable Energieversorgung eines Laptops zu sehen welche bei der Frauenhofer Gesellschaft f r solaren Energiesysteme FhG ISE als Demonstrationsobjekt erstellt und auf der Hannover Messe 1998 vorgestellt wurde Abbildung 5 10 Portables Brennstoffzellen System mit einer Leistung von 20 W fhg 00 5 3 3 Station ren Anwendungen In der station ren Anwendung als KWK Anlage ist der Einsatzbereich der PEMFC aufgrund des niedrigen Temperaturniveaus begrenzt vdew 99 Allerdings bieten sich Anwendungen in der Raumw rmeversorgung von Hin und Mehrfamilienh usern mit gleichzeitiger Stromproduktion an In der Studienarbeit Perspektiven von Brennstoffzellen n der Hausenergieversorgung strup 00 wird dieser Anwendungszweig ausf hrlich erl utert Weiterhin sind PEM Zellen n der Notstromversorgung und als Unterbrechungsfreie Stromversorgungen USV denkbar Im Leistungsbereich bis 300 kWa haben die Firmen wie Siemens und Ballard Power bereits P lotanlagen demonstriert Weiterf hrende Entwicklungen versuchen die Gleichspannung der Brennstoffzellen direkt f r Computer oder Klimaanlagen zu nutzen um die Umwandlungsverluste durch
142. ppe Technische Gase Katalog Spezialgase H llriegelskreuth 2000 Meli M Regenerative Energiequellen Praktikum Springer Verlag Berlin Heidelberg 1997 Energieangentur NRW Hrsg Brennstoffzellen Entwicklungsstand Einsatzbereiche und Marktanforderung Energieagentur NRW Wuppertal 2000 Energieagentur NRW Hrsg Brennstoffzellen Technologie f r das 21 Jahrhundert Dokumentation der Fachtagung vom 28 Oktober 1999 Energieagnetur NRW Wuppertal 1999 Oertel D Monitoring Zum Entwicklungsstand der Brennstoffzellen Technologie Sachstandsbericht Nr 51 TAB B ro f r Technikfolgen Absch tzung beim Deutschen Bundestag Bonn 1997 PHYWE Systeme GmbH Produktinformationen G ttingen 2000 Schiffer H W Deutscher Energiemarkt 99 Energiewirtschaftliche Tagesfragen 50 Jg Heft 3 S 114 ff K ln 2000 Schiffer H W Praxiswissen aktuell Energiemarkt Deutschland T V Verlag K ln 1999 Schlesinger M Schulz B und W Deutscher Energiemarkt 2020 Energiewirtschaftliche Tagesfragen 50 Jg Heft 3 S 106 ff K ln 2000 Schmidtchen U Auf dem Weg zur Wasserstoffenergie Wie kommen wir weiter Tagungsbericht vom 12 und 13 Dezember 1995 Bundesamt f r Materialforschung Berlin 1997 Schmidtchen U DWV Information Nr 4 vom 18 Januar 2000 H ufige Fragen zum Wasserstoff Deutscher Wasserstoffverband e V Berlin 2000 Schmidtchen U DWV Information Nr 4 vom 18 Januar
143. rch die freie Reaktionsenthalpie A G beschrieben Die elektrische Energie an der Klemme der Zelle ergibt sich nach Gleichung 4 7 Unter Verwendung von Gleichung 4 9 ergibt sich nu Wa A G Nu n F Ug A G nu Uk Urev Gl 4 13 Der Spannungswirkungsgrad wird durch das Verh ltnis der real gemessenen Klemmenspannung Ux zur Gleichgewichtspannung U der Zelle beschrieben Die Klemmenspannung ist immer kleiner als die Gleichgewichtsspannung der Zelle und von der Stromst rke abh ngig helio1 99 Der Spannungsverlust in Form einer Spannungsdifferenz zwischen Klemmenspannung und Gleichgewichtsspannung wird als berspannung bezeichnet und setzt sich zusammen aus e Durchtritt berspannung Verluste infolge der katalytischen Vorg nge an den Elektroden ma geblich bei kleinen Str men e berspannung durch den Innenwiderstand Ohmsche Verluste im Elektrolyt und in den Stromkollektoren ma geblich bei mittleren Str men e Diffusions berspannung Verluste infolge der begrenzten Diffusionsf higkeit der Gase in der Elektrodenstruktur ma geblich bei hohen Str men Brennstoffzellen 41 Ist die energetische Gesamteffizienz des Prozesses n Bezug auf den eingesetzten Brennstoff von Interesse bezieht man den Spannungswirkungsgrad auf den Heiz oder Brennwert des jeweiligen Energietr gers Es gilt f r den Prozess Nu Niev Nu Nu AG AH nFUg AG nu nF R AH GI 4 14 In Anlehnung an die Verbrennungstechnik kann f r die R
144. rommessbereich f r Gleichstr me bis 12 A zugelassen sein Temperatur Um die Temperatur des Stacks zu bestimmen wird ein handel bliches digitales Temperaturmessger t mit einem Messbereich bis mindestens 50 C eingesetzt Der Temperatursensor wird n d e daf r vorgesehene Durchgangsbohrung am Brennstoffzellen Stack eingef hrt Grundlegende Bedienungshinweise 71 7 Grundlegende Bedienungshinweise An dem Brennstoffzellensystem d rfen nur Personen arbeiten die die Bedienungsanleitungen der einzelnen Bauteile helio 2 99 helio 00 euro 00 und die Experimentieranleitung heliol 99 vollst ndig und genau gelesen haben und beachten Weiterhin sollten die Bediener auf Grund ihrer Ausbildung ber die notwendigen Kenntnisse und F higkeiten verf gen um die Anlage sicher betreiben zu k nnen oder durch geeignete Personen in den Betrieb der Anlage eingewiesen und ber die ausgehenden Gefahren informiert worden sein Die Anlage darf nur in R umen betrieben werden in denen durch geeignete Ma nahmen z ndf hige Gas Luft Gemische nicht zustande kommen k nnen Die g ltigen Sicherheitsvorschriften f r alle Elemente des Brennstoffzellensystem sind zu beachten 7 1 Aufbau und Handhabung des Brennstoffzellenmodells 7 1 1 Montage des Wasserstoff Gassystems Herstellung des Systemdrucks Bei der Wasserstoff Versorgung des Systems muss der maximale Betriebsdruck des Systems von 2 baras unbedingt durch geeignete Ma nahmen eingehalten
145. rommessger t Spannungsmessger t Temperaturmessger t Brennsioffzellenstack Druckminderer p Sp lventil optional Widerstandslast AL20 oder Elekton Last ELIOOD Abbildung 12 2 Versuchsaufbau A 2 helio1 99 115 Anhang 116 12 3 Versuchsaufbau A 3 Ben tigte Komponenten Brennstoffzellenstack Elektronische Last Wasserstoffversorgung mit Druckminderer L fterstromversorgung Strommessger t Spannungsmessger t Temperaturmessger t Leistungswiderstand 0 05 Ohm 25 Watt Brannstoffzellenstack Spulmeniil optional Leistungswiderstand Widerstandslast AL20 oder Elektron Last ELIO Abbildung 12 3 Versuchsaufbau A 3 helio1 99 Anhang 12 4 Versuchsaufbau A 4 Ben tigte Komponenten Brennstoffzellenstack Elektronische Last Wasserstoffversorgung mit Druckminderer Durchflussmesser L fterstromversorgung Gleichspannungswandler Strommessger t Spannungsmessger t Temperaturmessger t Luflerregelung Durchllussmessar Sp lventil UOruckminderer Widerstandsiast AL20 oder Elekiron Last EL100 Abbildung 12 4 Versuchsaufbau A 4 helio1 99 117 Anhang 12 5 Durchfluss Diagramm 130 Wi N N it ARNE E Nck ln iii WAE S EENEN ENN AAGA feie EINEN AER oE ENANA TE a EEEFEEESHEESF ES EHE EININGENENENIEEHTGHRENEA WALTER A E TENERENT E AEREN E BB RE NEN E EREN E A E E Eia a Ma Ei SAA KNO E U Nil aeee E ENA AALEN E EEEE tE ANR eE EAN AEAN EEEE EA E E E
146. rsaure Brennstoffezelle phosphoric acid fuel cell Polymerelektrolyt Brennstoffzelle protone exchange membrane fuel cell Prim renergieverbrauch Personen Kraft Wagen oxidkeramische Brennstoffzelle solid oxide fuel cell Universit t United States of America Unterbrechungsfreie Stromversorgung Inhalt Formelzeichen Wirkungsgrad Energiewirkungsgrad Stromwirkungsgrad Systemwirkungsgrad Spannungswirkungsgrad Spannungswirkungsgrad bezogen auf den Heizwert theoretischer Wirkungsgrad reversibles Potenzial freie Reaktionsenthalpie Reaktionsenthalpie Entropie nderung nderung der inneren Energie Volumen nderung Tafelneigung Faraday Konstante Brennwert Heizwert Stromdichte theoretischer Strom Anzahl der Elektronen Anzahl der Zellen m Stack Druck W rmenergie reversible W rmeenergie Widerstand Temperatur Anfangstemperatur Gleichgewichtspannung bezogen auf den Brennwert Gleichgewichtsspannung bezogen auf den Heizwert Klemmenspannung Leerlaufspannung theoretische Gleichgewichtsspannung Inhalt Vm W Wal Volumenstrom molares Volumen verrichtete Arbeit elektrische Arbeit Anzahl der Elektronen je Teichenumsatz Inhalt C bar cm s cm s DM kW DM kWa g l g mol sH gt 1 J kg K K kg kW kg m kJ kg km s kPa kW kWh kWh kg kWh l kWh Nm V h m ns mA cm mJ MJ Nm MW mW cm Nm a Nm h Einheitenverzeichnis Grad Celsius
147. rscheiden sich nur wenig voneinander Wasserstoff brennt in Luft bei einem Volumenanteil von 29 mit einer Temperatur von 2 318 K In einer reinen Sauerstoffatmosph re k nnen f r Wasserstoff Verbrennungstemperaturen von 3 000 K erreicht werden Die geringf gig h here Flammentemperatur von Wasserstoff hat auf den Sicherheitsaspekt wenig Einfluss Vielmehr ist sie f r die Materialauswahl der Wasserstoff verarbeitenden Anlagen von Bedeutung Die Selbstentz ndungstemperaturen der Brenngase Propan und Methan liegen bei 760 K bzw 813 K Mit 858 K liegt die Selbstentz ndungstemperatur von Wasserstoff nur unwesentlich h her Z ndgrenze Um ein Gas zu entz nden ist ein bestimmtes Mischungsverh ltnis mit Luft und eine Z ndquelle mit ausreichender Z ndenergie notwendig Das entz ndbare Mischungsverh ltnis von Gas zu Luft wird als Z ndgrenze bezeichnet und gibt die Anteile des Gases in der Luft an Au erhalb der Z ndgrenze ist keine selbstst ndige Flammenfortpflanzung m glich Unterhalb der Grenze ist zu wenig Brenngas und oberhalb zu wenig Sauerstoff im Gas Luft Gemisch vorhanden Das reine Brenngas ist also nicht z ndf hi g Der Vergleich von Wasserstoff mit anderen Brenngasen zeigt dass Wasserstoff einen sehr weiten Z ndbereich von 4 1 72 5 Vol besitzt Aus s cherheitstechnischen Gesichtspunkten ein Nachteil Allerdings wird die Abweichung m Vergleich besonderes n der oberen Z ndgrenze deutlich Von entscheidender Bedeut
148. s Diagramm ein und bestimmen S e w e n den anderen Teilversuchen den Innenwiderstand Spannung Strom Kennlinie _ O 9 8 T7 6 5 4 3 2 3 0 Basiskennlinie Serienwiderstand Luftversorgung Abbildung 8 6 Spannung Strom Kennlinie bei verschiedenen Einflussfaktoren Interpretation Die drei Versuche zeigen dass bei kleinen Str men nahe dem Leerlauf die Spannung exponentiell f llt Hier bestimmen die katalytischen Vorg nge an den Elektroden den Verlauf der Spannung Bei mittleren bis gro en Str men bestimmt der Innenwiderstand der Brennstoffzelle die Kennlinie Es ergibt sich eine lineare Abh ngigkeit der Spannung vom Laststrom Je h her der Innenwiderstand desto steiler verl uft der lineare Teil der Kennlinie Dieser Zusammenhang wird in Teilversuch B deutlich Bei gro en Str men ist vor allem die Versorgung der Zellen mit den Reaktionsgasen ausschlaggebend f r das Verhalten der Brennstoffzelle Bei zu geringer Versorgung der Zellen mit den Reaktanten bricht die Spannung schon bei kleineren Str men zusammen was sich im Abknicken der Kennlinie im Teilversuch C zeigt Bei der Berechnung der Innenwiderst nde f r die drei Teilversuche zeigt sich die unterschiedliche Steigung im linearen Bereich der Kennlinie Bei der Integration des zus tzlichen Innenwiderstandes ist auf m glichst kurze und n ederohmige Verbindungen zu achten um den Innenwiderstand der Zelle nicht zus tzlich zu vergr ern
149. s zus tzliche Leistung Add on neben dem Kerngesch ft des Energievertriebs in die Produktpalette aufnehmen Das Angebot von Schulungen und Seminaren ist ein Instrument der Kundenbindung welches den Energiedienstleistern aber auch der Fachhochschule von Nutzen sein kann e Die einzelnen Bauteile des Versuchsstandes werden in ein Pr sentationsmodell implementiert Dieses dient allen beteiligten Projektpartnern auf Messen Energietagen Fachtagungen Kongressen etc zur Veranschaulichung neuer Energiekonzepte und nicht zuletzt als Anziehungspunkt Eye Catcher f r den Ausstellungsbereich Das Pr sentationsmodell soll modular aufgebaut werden damit es optimal an die jeweilige Zielgruppe angepasst werden kann Die vorliegende Arbeit setzt die ausbildungsorientierte Anwendung des Brennstoffzellen Modells um E n Entwurf zur Umsetzung des Pr sentationsmodells und dessen Kommunikation wird am Ende dieser Arbeit vorgestellt Die Gestaltung des Pr sentationsaufbaus und die Kommunikation der Inhalte werden Bestandteil einer Folgearbeit sein 6 2 Marktanalyse Eine umfangreiche Marktanalyse auf dem Gebiet der Brennstoffzellen Technologie erm glicht eine Einteilung der Hersteller und Lieferanten von Brennstoffzellensystemen in drei Kategorien Die gew hlten Einteilungskriterien sind in dem Anwendungsziel der Anlage als Versuchs und Pr sentationsmodell begr ndet Im folgenden werden die drei Kategorien mit ihren charakteristischen Produkten und d
150. serdampf verbrannt Zur Regelung der Dampfparameter wird zus tzlich Wasser in den Prozess eingespritzt welches sofort verdampft Die Vorteile liegen n der Reinheit des Dampfes positiver Regeleigenschaften und extrem kurzen Ansprechzeiten Schon kleine geometrische Abmessungen erlauben gro e thermische Leistungen Ein Rohr mit einer L nge von 2 Metern und einem Durchmesser von 10 cm erlaubt thermische Leistungen von 35 MW Durch Zumischung von Wasser lassen s ch regelbare Temperaturen bis zu 3 300 C erreichen Die Elektrizit tswirtschaft bekundet Interesse an diesem Verfahren um in Dampfturbinenkraftwerken Spitzenlasten ausgleichen zu k nnen Kleinere Dampferzeuger finden Anwendung in Anlagen in denen einen schnelle Bereitstellung von Dampf und begrenzte r umliche Abmessungen gefordert werden z B n der Dampfsterilisation in der Pharmazie oder in der Lebensmittelindustrie zittel 98 c Brennstoffzellen Die wohl zukunftsweisendste Anwendung von Wasserstoff ist die Brennstoffzelle In der Brennstoffzelle w rd unter Freisetzung elektrischer Energie Sauerstoff und Wasserstoff zusammengef hrt Als Reaktionsprodukt entsteht Wasser H20 Verschiedene Typen von Brennstoffzellen sind in der Entwicklung oder haben schon Marktreife erreicht Umfassende Erl uterungen zum Thema Brennstoffzellen werden m Kapitel 4 gegeben Wasserstoffwirtschaft 26 Mobile Anwendungen In der Raumfahrt wird fl ssiger Wasserstoff als Antriebsmittel genutzt D
151. serstoffwirtschaft 23 3 4 Anwendung von Wasserstoff In der derzeitigen Gaswirtschaft kommt Wasserstoff eine gro e Bedeutung als wichtiger Rohstoff in der Chemieindustrie und zur Veredelung von Prim renergietr gern zu Besonders diese nicht bzw indirekt energetische Nutzung des Rohstoffs hat die Entwicklung der Wasserstofftechnik in den letzten Jahren vorangetrieben Das in diesen Bereichen erworbene Wissen in der sicheren Erzeugung Handhabung und Speicherung gro er Mengen Wasserstoff ist f r eine Expansion in die energetische Nutzung des Energietr gers von gro er Bedeutung 3 4 1 Nicht energetische Nutzung Synthesen mit Wasserstoff Der weitaus gr te Anteil des erzeugten Wasserstoffs wird bei der Ammoniak und Methanolsynthese eingesetzt Durch Synthese von Wasserstoff und Stickstoff nach dem Haber Bosch Verfahren wird Ammoniak erzeugt der zu 80 in der D ngemittelindustrie Einsatz findet und zu 20 n die Kunststoffproduktion einflie t Bei der Methanolsynthese wird aus einem Synthesegas einer Mischung aus Wasserstoff Kohlenmonoxid und Kohlendioxid Methanol gewonnen ber die H lfte der erzeugten Methanolmenge wird zur Produktion von Kunststoffen benutzt Nur ein kleiner Teil des Methanols wird heute in speziellen Anwendungen z B als Kraftstoffzusatz energetisch eingesetzt In der Zukunft k nnte Methanol nicht nur als chemisches Zwischenprodukt sondern auch als Energietr ger und synthetischer Kraftstoff gro e Bedeutung
152. sgrad ne 1 zu bestimmen 1e u N 9 Tragen Sie die berechneten Wirkungsgrade beider Teilversuche in ein Wirkungsgrad Strom Diagramm ein 10 Kennzeichnen Sie die Fl che die den Eigenverbrauch des Systems veranschaulicht Es ist die Fl che zwischen den beiden Kurven f r die Energiewirkungsgrade 11 Der Systemwirkungsgrad ist im Energiewirkungsgrad des zweiten Teilversuchs enthalten Neo uo Mio Neo Nua N sysu Mro M sys Nea Nea ss 1 Ns D E 1 12 Bestimmen Sie graphisch den Verlauf des Systemwirkungsgrades Wirkungsgrad Strom Diagramm Spannungswirkungsgrad A Stromwirkungsgrad A Energiewirkungsgrad A Spannungswirkungsgrad B Stromwirkungsgrad B Energiewirkungsgrad B Abbildung 8 7 Wirkungsgrad Strom Diagramm der beiden Teilversuche Beschreibung der Messungen 94 Wirkungsgrad Strom Diagramm Systemwirkungsgrad Abbildung 8 8 Graphischer Verlauf des Systemwirkungsgrades Interpretation Im Teilversuch B wird ein Teil der erzeugten Energie zur Versorgung der Peripherie genutzt Bei der vorliegenden Messanordnung dr ckt sich dieses durch einen erh hten Wasserstoff Durchfluss als auch n einer kleineren Nutzleistung gegen ber dem Teilversuch A aus Da als Bezugsgr e der Laststrom gew hlt wurde ndert sich auch der Spannungs und Stromwirkungsgrad Im Teilversuch B liegen die Wirkungsgrade deutlich niedriger als n Teilversuch A
153. spiel einer PEMFC bildlich FEM Proten Eschenge Mambranme Abbildung 4 2 Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle htec 00 Eine vertiefende Aufschl sselung der chemischen Reaktionen bei verschiedenen Zelltypen ist in der Studienarbeit Perspektiven von Brennstoffzellen in der Hausenergieversorgung strupe1 00 zu finden 4 2 3 Thermodynamik der elektrochemischen Energiewandlung Die Energie nderung einer chemischen Reaktion bei konstantem Druck wird durch die Reaktionsenthalpie A H beschrieben Diese ergibt sich aus der Summe der nderung der inneren Energie AU und dem Produkt aus Druck und Volumen Die innere Energie wird aus der Summe von W rmeenergie Q und verrichteter Arbeit W bestimmt Es gilt die Vorzeichenkonvention Zugef hrte W rmeenergie und am System verrichtete Arbeit sind positiv abgegebene W rmeenergie und vom System verrichtete Arbeit dagegen negativ kuch 96 AH AU PAV Q W PAV Gl 4 3 Brennstoffzellen 38 Ein Ma f r die maximal gewinnbare Nutzarbeit einer reversibel gef hrten isobar sothermen chemischen Reaktion ist die freie Reaktionsenthalpie A G Sie entspricht der Reaktionsenthalpie AH reduziert um die an die Umgebung reversibel abgegebene W rmemenge Qey TA S Findet keine W rmeabgabe an die Umgebung statt ist auch die Entropie nderung dS Q ev T gleich null Die Reaktionsenthalpie AH ist gleich der freien Reaktionsenthalpie A G und die Reaktion ist reversibel Bedingung dS 0 ku
154. ssen erkennen ob in der Anordnung gr ere Leckagen vorhanden sind Versuchsdurchf hrung 1 Bauen Sie den Versuch nach Versuchsaufbau Al Abbildung 12 1 im Anhang auf 2 Fahren Sie das System unter Beachtung der gesonderten Hinweise ordnungsgem an 3 ffnen Sie vorsichtig das Sp lventil am Stack f r ca 1 Sekunde um das System zu sp len 4 Stellen S e eine L fterspannung von 6 V ein 5 Betreiben Sie das System m Dead end Betrieb Stellen Sie den gew nschten Systemdruck ein empfohlener Mindestdruck 0 2 bar und notieren ihn in der Tabelle Beachten Sie die gesonderten Hinweise zu der Betriebsart 6 Stellen Sie mit der elektronischen Widerstandslast die vorgegebenen Stromwerte ein Ver ndern Sie den Strom dabei nicht sprunghaft da in diesem Fall die Str mungsbedingungen so stark gest rt werden dass es einige Minuten dauern kann bis sich die Kugeln im Durchflussmesser wieder stabilisiert haben Nach einer Wartezeit von 1 Minute pro Messpunkt zur Stabilisierung der Werte k nnen die Daten f r Strom und Durchfluss aufgenommen werden Verweilen Sie nicht zu lange bei den Messpunkten damit sich die Parameter Temperatur und Membranfeuchte nicht zu stark ver ndern Dies gilt insbesondere f r Stromst rken ber 4 A Anhand der Position der metallischen Kugel im Durchflussmesser kann der Durchfluss bestimmt werden Ma geblich bei der Ablesung ist die Mitte der Kugel Die Messung ist abzubrechen wenn die Spannung des St
155. st die Learlaul m T Ti mi 1P FAA Fe en Ars T Pr Es existiert ein Leck innerhalb des Slacks 4 nem spannung des Stacks S mindestens 8 0 VW u nn Be s5 F Rn y a F jA 4 F r sa 1 Minute einan Strom won iA aus dem Stack entnehmen Befeuchtung der Membranen Ist die Leerlauf Es existiert ein Leck innerhalb des Stacks nem lt spannung des Stacks gt mindestens 8 8 V7 e4 Stack ist betriebsberalt Abbildung 7 4 Kurzcheck des Brennstoffzellenstacks NP 50 helio1 99 Grundlegende Bedienungshinweise 76 7 2 2 Anfahren der Anordnung Zur Durchf hrung der Messungen muss sich der Brennstoffzellenstack in einem leistungsbereiten Zustand befinden was eine ausreichende Befeuchtung der Membranelektrolyten der Zellen erfordert Schon nach einer Betriebspause von einem Tag ist dies nicht mehr gew hrleistet Durch eine Einlaufphase von 10 bis 15 Minuten bei kleiner Leistung ist von einer ausreichenden Befeuchtung der Membran auszugehen Sollte das System vorher nicht in Betrieb gewesen sein ist das Anfahren des Versuchs unter Durchf hrung der folgenden Schritte durchzuf hren Ist das System unmittelbar zuvor schon betrieben worden k nnen Sie direkt mit der Versuchsdurchf hrung beginnen 1 ffnung des Sp lventils am Stack gilt nur bei Dead end Betrieb 2 Vorsichtige ffnung der Wasserstoffversorgung um das System f r einige Sekunden zu sp len Pl tzliche Druckst e sind dabei zu ver
156. t Der Wartungsaufwand im Betrieb reduziert sich dadurch auf ein Minimum Geringer Ger uschpegel Die elektrochemische Umwandlung in Brennstoffzellen besitzt keinerlei bewegliche Teile und verursacht somit auch keine Ger usche Die peripheren Einrichtungen wie L fter Pumpen etc erzeugen allerdings Ger uschemissionen Durch geeignete D mmmab nahmen lassen sich diese auf ein Minimum reduzieren und sind in keiner Weise mit dem L rmpegel konventioneller Anlagen w e Motoren oder Gasturbinen zu vergleichen Geringe Schadstoffemissionen Der bedeutendste Vorteil der Brennstoffzellen gegen ber konventionellen Energiewandlern legt in den reduzierten Schadstoffemissionen Durch die im Vergleich niedrigen Arbeitstemperaturen entstehen praktisch keine Stickoxide Schwefelverbindungen n den Emissionen werden durch eine Schwefelreinigung des Brenngases nahezu ausgeschlossen Die h heren System Wirkungsgarde der Brennstoffzellen f hren einer Verminderung des Kohlendioxid Aussto es gegen ber modernen Gas oder Kohlekraftwerken Das eigentliche Potenzial f r eine zuk nftige Energiepolitik liegt aber in der Anwendung von regenerativ erzeugtem Wasserstoff Dieser w rde keinerlei Schadstoffemissionen verursachen vg Kapitel 3 8 zeigt einen Vergleich der Schadstoffemissionen eines erdgasbetriebenen Brennstoffzellen Kraftwerks zur konventionellen Kraftwerkstechnik zur Elektrizit tserzeugung Brennstoffzellen 48 E i i z Hi myrk i B iii
157. tand und Spannungswirkungsgrad zu variieren Die Brennstoffzellen werden zun chst in einen station ren Zustand gebracht Durch Ver nderung der L fterspannung wird das station re Gleichgewicht aufgehoben und die Eigendynamik des Systems beobachtet Versuchsdurchf hrung l Bauen Sie den Versuch nach Versuchsaufbau Al Abbildung 12 1 im Anhang oder alternativ ohne Durchflussmesser und Si cherheitsventil nach Versuchsaufbau A2 Abbildung 12 2 im Anhang auf 2 Fahren Sie das System unter Beachtung der gesonderten Hinweise ordnungsgem an 3 ffnen Sie vorsichtig das Sp lventil am Stack f r ca 1 Sekunde um das System zu sp len nur bei Dead end Betrieb 4 Stellen Sie eine L fterspannung von 10 V ein 5 Betreiben Sie das System im Dead end Betrieb oder im Durchflussbetrieb Beachten Sie dabei die gesonderten Hinweise zu den Betriebsarten 6 Integrieren Sie die elektronische Last in den Versuchsaufbau Stellen Sie einen Laststrom von 6 A ein 7 Nehmen Sie zu den angegebenen Zeiten die Werte f r die Spannung und die Temperatur des Brennstoffzellenstacks auf 8 Verringern Sie die L fterspannung nach 30 Minuten Die Stromst rke bleibt mit 6 A unver ndert 9 Nehmen Sie zu den angegebenen Zeiten die Werte f r die Spannung und die Temperatur auf Die Messung ist abzubrechen wenn die Spannung des Stacks unter 4 0 V sinkt Hinweis Bei der vorliegenden Stromst rke sollte das System im Abstand von 3 Minuten gesp lt
158. te Kohlendioxid Konzentrationen in der Luft als auch auf die Erdkruste z B durch die Einlagerung von nuklearen Abf llen Die Problematik des offenen Systems liegt dar n dass s ch die foss len Energietr ger nicht in menschlich absehbaren Zeitr umen wieder generieren k nnen Die ber Millionen Jahre in den Rohstoffen gespeicherte Energie wird durch den Menschen innerhalb k rzester Zeitr ume wieder freigesetzt Die Folgen dieser Entwicklung sind m Augenblick nicht absch tzbar zeigt eine schematische Darstellung des offenen Energie Systems wie es zum heutigen Zeitpunkt praktiziert wird kiile IH Gas Kernenergie OFFER Bnerge Fysleme i sC lhjal ic N ler MALUE Mel irii mukuna m k ehe Umie Yterksbolle tt limme marki verkehr Lranspi Abbildung 3 8 Offenes Energie System der heutigen Energiewirtschaft winter 97 Wasserstoffwirtschaft 33 Geschlossenes Energie System Solare Wasserstoffenergiewirtschaft Das geschlossene Energie System zeichnet sich durch einen in sich geschlossenen Stoffkreislauf aus Dazu ist ein Stoff notwendig der Energie speichern und auch wieder freisetzen kann Wasserstoff bietet in diesem Zusammenhang Eigenschaften die bislang bei keinem anderen Stoff in dieser Form bekannt sind Allerdings ist Wasserstoff ein Sekund renergietr ger zu dessen Herstellung Speicherung und Transport Energie aufgewendet werden muss die unter Abzug von Verlusten bei der Rekombinat
159. te sind auch unter der Verwendung von synthetischen Kohlenwasserstoffen produzierbar Die Veredelung von Kohle st aber nur mit dem Hintergrund einer zunehmenden Ersch pfung der Erd l und Erdgasreserven zu sehen Grundprinzip aller Veredelungsverfahren st die Spaltung der hochmolekularen Struktur der Kohle unter Anlagerung von Wasserstoff in einer exothermen Reaktion Je nach Art der eingesetzten Kohle und dem gew nschten Reaktionsprodukt unterscheidet man die hydrierende Kohlevergasung Wasserdampfvergasung die Hydropyrolyse und die Kohleverfl ssigung winter 89 3 4 3 Energetische Nutzung Verbrennung von Wasserstoff Bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Luft in Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen entstehen durch geeignete Verbrennungsf hrung sehr geringe vernachl ssigbare Schadstoffemissionen Spuren von Kohlenwasserstoffen Kohlenmonoxid und Schwefelbestandteile k nnen nur durch Verbrennung von geringen Mengen Motoren und Schmier l im Verbrennungsraum entstehen Durch intelligente Prozessf hrung und Verringerung der Verbrennungstemperaturen kann auch die Entstehung von Stickoxiden deutlich vermindert werden a Wasserstoffbrenner Wasserstoff f llt bei vielen chemischen Prozessen als Koppelprodukt an Ist die Weiterverarbeitung oder der Transport n cht rentabel kann der Wasserstoff n der direkten W rmeerzeugung andere Brenngase substituieren Eine Zumischung zum Erdgas ist von Vorteil da vorhandene Anlagen ohne gr
160. teng nstige elektrische Energie z B aus der Wasserkraftnutzung zur Verf gung steht z ttel 96 zeigt die Standorte der derzeit weltweit gr ten Anlagen rt Hersteller Kapazit t H in Nm h Nangal Indien DeNora 30 000 Aswan gypten 33 000 Ryukan Norwegen Norsk Hydro 27 900 Ghomfjord Norwegen Trail Kanada Cuzco Peru Huntsville Alabama USA Tabelle 3 4 Gro e Wasserstoff Elektrolyse Anlagen winter 89 Die Kosten f r kommerzielle Elektrolyseure liegen zwischen 500 1000 DM kWa Gro e Anlagen sind bezogen auf die spezifischen Kosten billiger als kleinere Einheiten So liegen die Kosten im MW Bereich bei ca 500 DM kWa und f r eine Kleinanlage mit 1 kW bei 10 000 DM Auch die Wirkungsgrade liegen bei Gro anlagen mit 65 70 h her als bei den Kleineinheiten mit 50 60 zittel 98 Elektrolyseverfahren in der Entwicklung a Membran Elektrolyse Die Membranelektrolyse bedient sich einer protonenleitenden Ionentauschermembran als Elektrolyt und Diaphragma Auf die beiden Oberfl chen der Membran wird abstandslos die Kathode und die Anode mittels eines Diffusions F llungsverfahrens aufgebracht Das zu zersetzende Wasser bedarf bei diesem Verfahren keinerlei Elektrolytzus tze um dessen Leitf higkeit zu erh hen und wird ausschlie lich anodenseitig zugef hrt Die Membran Elektrolyseure sind hnlich wie die alkalischen Elektrolyseure bipolar aufgebaut Die Entwicklung der Membran Elektrolyse entstand aus
161. toffwirtschaft zur Bewahrung unseres Klimas ist gezeichnet Das Beschreiten dieses Weges ben tigt aber noch gro e Anstrengungen in Bezug auf die technische Umsetzung die konomische Integration und der Akzeptanz der Technologie Wasserstoffwirtschaft 6 3 Wasserstoffwirtschaft 3 1 Grundlagen zum Wasserstoff Wasserstoff wird heute bereits schon als Rohstoff und Energietr ger im Wirtschaftskreislauf eingesetzt Zur objektiven Beurteilung der Eigenschaften der Risiken und der Anwendung von Wasserstoff wird im folgenden ein Vergleich mit den Brenngasen Methan CH4 und Propan CH sowie gegebenenfalls weiteren Energietr gern angestrebt Die konventionellen weit verbreiteten Energietr ger stehen n unmittelbarer Konkurrenz zum Wasserstoff und nur der direkte Vergleich erm glicht Aussagen ber eine m gliche Integration des Wasserstoffs in die Energiewirtschaft zittel 96 3 1 1 Physikalische und chemische Eigenschaften Wasserstoff st das h ufigste Element m Weltall Er stellt ber 90 Prozent aller Atome und der gesamten Masse Das Wasserstoffatom ist das einfachste und leichteste Es besteht aus einen Proton und einem Elektron Das chemische Symbol H steht f r Hydrogenium d h Wasserbildner weber 91 In der Natur kommt Wasserstoff wegen seiner hohen chemischen Akt vit t nur n seltenen F llen z B in h heren Schichten der Atmosph re als ungebundenes Element vor Der weitaus gr te Teil tritt in chemischen Verbin
162. triegebiet Leuna Bitterfeld Wolfen Das Netz der H ls AG ist das weltweit gr te industrielle Netz f r gasf rmigen Wasserstoff Es besteht bereits seit 1940 und umfasst auf einer Gesamtl nge von 220 km 18 Industrieanschl sse unter ihnen sowohl Verbraucher und als auch Erzeuger von Wasserstoff Im langj hrigen Einsatz dieses Netzes konnten ausreichende Erfahrungen im Pipelinetransport von gasf rmigen Wasserstoff gesammelt werden Abbildung 3 4 zeigt den Verlauf des gr ten Wasserstoffnetzes im Ruhrgebiet Abbildung 3 4 Wasserstoffnetz der H ls AG m Ruhrgebiet winter 89 Transport von Fl ss gwasserstoff Der Transport von Fl ssigwasserstoff LH2 spielt in Deutschland keine bedeutende Rolle Kleinere Mengen werden in vakuumisolierten Tanks per LKW gehandelt In den USA existieren schon einige ca 40 km lange Pipelines zum Transport von LH3 gt Internationaler Handel z B mit kosteng nstigen Wasserstoff aus Kanada findet n Form von maritimen Fl ssigwasserstoff statt Spezielle Schiffe hnlich wie f r den Fl ssiggastransport bef rdern den fl ssigen Wasserstoff ber die Weltmeere Bereits heute schon als marktf hig angesehen werden LH3z Container die per Schiff oder Bahn transportiert werden k nnen Fl ss gwasserstoff wird in Deutschland nur bei Linde in Ingolstadt als Nebenprodukt der Mineral lindustrie erzeugt Zus tzlich in fl ssiger Form ben tigter Wasserstoff wird aus Rotterdam oder Linz bezogen Was
163. tschaft zu erreichen Vielmehr wird die Forderung nach einer Senkung des Gesamtenergieverbrauchs und einer zwingend erforderlichen Marktdurchdringung neuer kohlenstofffreier emissionsloser Energiekonzepte deutlich Eine weltweit deutliche Senkung der CO gt Emissionen ist nur durch eine Substitution einer kohlenstoffhaltigen durch eine kohlenstofffreie Energiewirtschaft m glich Der Ausbau von regenerativen Energiesystemen ist auf diesem Entwicklungsweg ein unverzichtbares Instrument Das diskontinuierliche Energieangebot der erneuerbaren Energietechniken zur zeitlich versetzten Energienachfrage stellt derzeit weltweit ein Problem dar Wasserstoff verk rpert in dieser Situation einen geeigneten Energiespeicher Das Speichermedium kann mittels regenerativer Energiequellen durch Elektrolyse gewonnen zum Einsatzort transportiert und vor Ort gespeichert werden Die Brennstoffzellentechnologie bietet die M glichkeit am Einsatzort aus dem Wasserstoff wieder elektrische Energie zu generieren Die Option den Wasserstoff zun chst aus foss len Energietr gern zu gewinnen erleichtert einen angepassten flie enden bergang in eine emissionsfreie Wasserstoffwirtschaft Einhergehend mit der technischen Entwicklung muss allerdings d e Problematik eines zu hohen globalen Energieverbrauches gel st werden Dieses erscheint durch eine fortw hrende Steigerung von Wirkungsgraden und der Energieeffizienz in der Energieanwendung l sbar Der Weg in eine solare Wassers
164. u verhindern Reaktionsgleichungen Kathode 2H O 2e H 20H Gl 3 4 Anode 2 OH 1 2 O2 H2O 2e Gl 3 5 Abbildung 3 2 zeigt eine bersicht ber verschiedene Elektrolyseverfahren die im weiteren n her gekennzeichnet werden r aan DEEE EER A AAEE ANAN 2 Nofion H Form O m 30 KOH 80 C reinst H20 100 C Wasserdampf 800 900 C alkalische Wasserelektrolyse Membranelektrotyse Wasserdampf Elektrolyse Abbildung 3 2 bersicht der Elektrolyseverfahren winter 89 Wasserstoffwirtschaft 14 Alkal sche Elektrolyse Die alkalische Elektrolyse wird bereits seit rund 80 Jahren kommerziell zur Wasserstoffherstellung genutzt Sie arbeitet mit einem w ssrigen alkalischen Elektrolyten 30 ge Kalilauge KOH Zur Abtrennung des Reaktionsraumes wird ein mikropor ses Asbest Diaphragma eingesetzt Durch Hintereinanderschaltung mehrerer Einzelzellen zu einem Stack wird d e Leistung erh ht Dabei sind die Elektrolyseure bipolar ausgef hrt d h die metallische Trennwand zwischen den Einzelzellen tr gt auf der einen Seite die Anode der einen Zelle und auf der anderen Seite die Kathode der n chsten Zelle Die Arbeitstemperatur liegt bei ca 80 C winter 89 Die Technik der alkalischen Elektrolyseure gilt als weitgehend ausgereift Aus Kostengr nden werden allerdings nur kleine bis mittlere Anlagen produziert 100 1000 Nm h oder 0 5 bis 5 MW Gro e Anlagen sind nur wirtschaftlich wenn gen gend kos
165. ung der Messungen In diesem Abschnitt der Arbeit werden neun unterschiedliche praktische Messungen an dem Brennstoffzellensystem vorgestellt Die Darstellung der Messaufgaben strukturiert sich in folgende Gliederungspunkte e Versuchsziel In einer kurzen Zusammenfassung wird dem Anwender das Ziel des entsprechenden Versuchs vorgestellt Es erleichtert d e Orientierung und dient zum besseren Verst ndnis der Versuchsreihe e Versuchsdurchf hrung In der Versuchsdurchf hrung werden Anleitungen und Hinweise zum Aufbau und zur Durchf hrung der jeweiligen Messung gegeben Die n der Versuchsdurchf hrung angegebenen Werte der einzustellenden Betriebsgr en s nd n cht verbindlich und k nnen variiert werden Die vorgegebenen Werte verstehen sich als Beispielgr en bei denen die Messung problemlos reproduzierbar ist Nach eingehender Einarbeitung in das Gesamt system st eine Abweichung von den Beispielwerten durchaus sinnvoll Bei der Durchf hrung der Versuche und der Variation der Parameter m ssen die Hinweise und Sicherheitsvorschriften in Kapitel Grundlegende Bedienungshinweise unbedingt beachtet werden e Messwerttabelle Die Messungen sind beispielhaft f r einen ausgew hlten Betriebszustand des Brennstoffzellensystems durchgef hrt worden Die jeweils eingestellten Parameter und die Messergebnisse sind in tabellar scher Form wiederzufinden Weiterhin sind die Ergebnisse der Berechnungen in der Auswertung des Versuchs in der
166. ung durch den Innenwiderstand Diffusions berspannung Abbildung 4 6 zeigt den charakteristischen Verlauf einer Strom Spannungs Kennlinie einer Brennstoffzelle Der mathematische Zusammenhang zwischen Zellspannung und Stromdichte kann wie folgt ausgedr ckt werden U Uo b logi R i Gl 4 20 Uo Uey b log 10 Gl 4 21 mit U Zellspannung Uo Leerlaufspannung U thermodynanische Gleichgewichtsspannung i Stromdichte Io Austauschstromdichte R Innenwiderstand der Zelle b Tafelneigung Brennstoffzellen AA EAnweichung vom idealen IR i Gleichgeswichtszustand Bi k e Yarkusbe inolge Innanwiarnsiar d Yoerluskte inolge Durchirii i 3 Z T fe S T Pad Valuste irioge Diffusion cikomdigemhie Abbildung 4 6 Strom Spannungskennlinie einer Brennstoffzelle helio1 99 Abweichung vom idealen Gleichgewichtszustand Bei einer Stromdichte von null entstehen Spannungsverluste durch ungewollte Nebenreaktionen an der Anode Als ungewollte Nebenreaktion gilt als Beispiel die Oxidation von Verunreinigungen im Elektrodenmaterial oder Oxidationsvorg nge am Katalysator Die messbare Leerlaufspannung Un liegt bei einer Hy O gt Zelle um 100 bis 200 mV unter der thermodynamischen Gleichgewichtsspannung Urey Dieser Spannungsverlust stellt sich in Abbildung 4 6 durch eine Abweichung vom idealen Gleichgewichtszustand dar Durchtritts berspannung Bei kleinen Stromdichten bis zu 10 mA cm nimmt die Zellspannung e
167. ung zur Beurteilung der Sicherheit ist die untere Z ndgrenze In der Verwendung von Wasserstoff ist die Wahrscheinlichkeit gr er dass Wasserstoff in eine Wasserstoffwirtschaft 9 Luftumgebung einstr mt und sich dort entz ndet als das Eindringen von Luft in eine Wasserstoffumgebung und die dortige Entz ndung In der Praxis st im St rfall meist eine Z ndquelle mit ausreichender Z ndenergie vorhanden so dass sich das Gas schon vor Erreichen der oberen Z ndgrenze entz ndet Minimale Z ndenersie Die bei Wasserstoff minimal notwendige Z ndenergie von 0 02 mJ ist um eine Gr enordnung kleiner als bei den anderen Brenngasen deren Werte bei 0 26 bzw 0 29 mJ liegen Betrachtet man in diesem Zusammenhang die erzeugten Z ndenergien von weichen Z ndquellen w e Funken bei Schaltern oder Motoren und elektrostatischen Funken entladungen so liegen diese weit ber den angegebenen minimalen Z ndenergien der Brenngase Schon die elektrostatische Entladung des menschlichen K rpers besitzt eine Energie von ca 10 mJ In einem St rfall wird sich ohne explizite Ma nahmen zur Verhinderung m glicher Z ndquellen jedes Brenngas Luft Gemisch der entsprechenden Konzentration entz nden Verbrennungsgeschwindiskeit Eine fundamentale Kennzahl zur Beurteilung der Sicherheit eines brennbaren Gasgemisches ist die Verbrennungsgeschwindigkeit Je h her diese ist desto gr er ist die Tendenz eines bergangs von einer Deflagration Verpuffung
168. ve Konzepte zur Energieerzeugung vornehmlich Techniken zur Stromerzeugung werden n dieser Kostensituation wirtschaftlicher da bei diesen Techniken der Kapitalaufwand im Vordergrund steht Die Kosten f r die Energietr ger sind sehr gering oder erst gar nicht vorhanden Eine technische Weiterentwicklung der Verfahren und eine massive Kostenreduktion durch Massenfertigung in den n chsten Jahren k nnten die Stromgestehungskosten der Systeme senken und regenerative Konzepte konkurrenzf hig machen F r 2020 prognostizieren Studien folgende m gliche Wasserstoffgestehungskosten aus regenerativen Systemen zittel 98 M gliche Wasserstoffgestehungskosten im Jahr 2020 Wasserstoff aus Windkraftwerken 8 12 Pf kWh Wasserstoff aus solarthermischen Kraftwerken 15 20 Pf kWh Wasserstoff aus Photovoltaik 22 Pf kWh Wasserstoff aus Biomasse 8 Pf kWh 3 5 2 Umwandlungskosten Verfl ssigung Die Kosten f r die Verfl ssigung von Wasserstoff h ngen von der Gr e und der Auslastung der Anlage ab In Kanada wurde ein gro er Verfl ssiger mit 9 3 Pf kWh berechnet Der Berechnung lagen aber sehr g nstige Strombezugskosten zu Grunde Die Kapazit t heutiger Verfl ssiger st um eine Gr enordnung kleiner In Deutschland ergeben s ch Kosten von ungef hr 13 15 Pf kWh f r die Verfl ssigung Weitere Prozess Optimierungen lassen aber noch Kostenreduzierungen um 30 zu zittel 98 Wasserstoffwirtschaft 28 Komprimierung Die Kosten f r die K
169. von der strategischen Ausrichtung der Energieversorgung ab Auf dem Weg von der fossilen CO Energiewirtschaft zur CO gt freien solaren Energiewirtschaft kann der Wasserstoff seine Eigenschaften als Sekund renergietr ger ausspielen Im Verbund mit regenerativen Energien kommt dem Wasserstoff eine strategische Bedeutung als Energiespeicher Transportmedium und schadstofffreier mobiler Energietr ger zu Auch der mobile Einsatz von Wasserstoff n Verkehrsanwendungen bietet ein enormes Entwicklungspotenzial Eine Marktdurchdringung der Wasserstoff und Brennstoffzellentechnik erscheint allerdings nur m glich wenn die technische Entwicklung der Energiekonzepte weit genug fortgeschritten ist Als Multiplikator bei der Einf hrung neuer Technologien erweist sich d e Akzeptanz der Menschen vor allem die Offenheit von Fachleuten neuen Technologien gegen ber Diese ist nur bei ausreichendem Wissen um diese Technik zu erzielen Mit dieser Arbeit ist ein erster Schritt zu einem Wissens Transfer zu sp teren Ingenieuren getan Allerdings bedarf es noch vieler weiterer Schritte und Entwicklungsarbeit um diese sehr zukunftstr chtige und aussichtsreiche Technologie konomische und kologisch zu etablieren Literatur 11 Literatur bine 99 birol 99 bmft 88 bmw1 99 cholo 99 czak 99 daimler 00 dlr 00 dwv 0100 dwv 0100 dwv 02 00 dwv 0499 110 Fachinformationszentrum Karlsruhe Hrsg PEM Brennstoffz
170. werden Um die Messreihen vergleichbar zu machen behalten Sie den Wert des Parameters Druck bei Stellen Sie eine L fterspannung von 0 5 V ein F hren Sie die Schritte 3 8 des Teilversuchs A durch Die Messung ist abzubrechen wenn die Spannung des Stacks unter 4 0 V sinkt oder die Temperatur ber 45 C steigt Messwerttabelle Hinweis Nehmen Sie die Strom und Spannungswerte bis auf 2 Kommastellen genau auf Starttemperatur L fterspannung 6V 6V 05V V A A l 4 a z z A I J gt m bel Oo O A ont er 0 21 03 N N O g 00 ON x oO N In 7 1 01 7 36 1 01 6 00 6 02 80 802 537 802 462 801 5 02 2o 20 454 TI Berechnungen R Q o Tabelle 8 5 Messwerttabelle zu den Einflussfaktoren auf die Spannung Strom Kennlinie Ks w NI S u o S SIN SOIN STESS W un AJASIN Fe A 07 u O u D ee ee Starttemperatur _ L fterspannung BEE 7 EEE EEE 60 Ri S NIN R z Beschreibung der Messungen 89 Auswertung 1 Erstellen Sie f r die Bas skennlinie ein Spannung Strom Diagramm 2 Bestimmen S e anhand dieser Kennlinie graphisch den Innwiderstand des Stacks Bee 3 Tragen Sie die Werte f r den Teilversuch B in das Diagramm ein und bestimmen Sie auch hier den Innenwiderstand des Stacks 4 Tragen Sie die Datenpunkte aus dem Teilversuch C in da
171. wicklung hat eine Vergr erung der thermischen Verlustleistung zur Folge Die Temperatur des Stacks weiter steigt an und der Wassergehalt des Elektrolyten s nkt fortw hrend Im Diagramm erkennt man dass nach Verringerung der L fterspannung die Stackspannung kurzfristig steigt Durch Verringerung der Luftzufuhr steigt der Wassergehalt des Elektrolyten zun chst an da d e Temperaturerh hung des Stacks aufgrund der verminderten K hlung tr ger verl uft Die kontinuierlich steigende Zellentemperatur hat eine immer st rkere Austrocknung der Membran und einen Zusammenbruch der Stackspannung zur Folge Beschreibung der Messungen 101 8 8 Lastprofile und Nutzungsgrad Versuchsziel In dieser Messaufgabe wird das Verhalten der Brennstoffzellen auf Lastwechsel demonstriert Dazu wird dem System ein Lastprofil aufgepr gt und die Systemantwort messtechnisch erfasst Im weiteren Schritt wird ber die Nutzleistung bzw energie und die zugef hrte Leistung bzw Energie der Nutzungsgrad f r ein Lastprofil bestimmt Versuchsdurchf hrung 1 Bauen Sie den Versuch nach Versuchsaufbau A4 Abbildung 12 4 l m Anhang auf 2 Fahren Sie das System unter Beachtung der gesonderten Hinweise ordnungsgem an 3 ffnen Sie vorsichtig das Sp lventil am Stack f r ca 1 Sekunde um das System zu sp len 4 Stellen S e eine L fterspannung von 6 V ein 5 Betreiben Sie das System m Dead end Betrieb Stellen Sie den gew nschten Systemdruck ein
172. xponentiell ab Verantwortlich hierf r sind die Verluste der katalytischen Vorg nge an den Elektroden Durch eine Verbesserung der Struktur der Drei Phasen Reaktionszone konnten in der laufenden Entwicklung diese berspannungen schon deutlich reduziert werden Man bezeichnet Verluste dieser Art als Durchtritts berspannung Sie ist ein Ma f r die G te des Verlaufs der chemischen Reaktion in der Brennstoffzelle Die Diffusions berspannung und die berspannung durch den Innenwiderstand k nnen in diesem Bereich vernachl ssigt werden U berspannung durch den Innenwiderstand Den Bereich mittlerer Stromdichten bestimmt die Uberspannung am Innenwiderstand der Zelle durch ohmsche Verluste im Elektrolyt und in den Stromkollektoren Dieser Bereich ist aufgrund der Proportionalit t zwischen Stromdichte und Innenwiderstand durch einen linearen Verlauf gekennzeichnet Bei gro en Brennstoffzellen st eine Begrenzung dieses Bereiches notwendig um gro e thermische Verlustleistungen infolge hoher Str me zu verhindern Diffusions berspannung Ab einem bestimmten Wert der Stromdichte f llt d e Zellspannung steil auf fast null ab Ursache f r d e Entstehung der Diffusionsspannung ist der begrenzte Stofftransport durch die eingeschr nkte Diffusionsf higkeit der Gase in der Elektrodenstruktur F r gro e Stromdichten ist eine ausreichende Versorgung der Zelle mit den Reaktanten und die Abfuhr des Reaktionsproduktes nicht gew hrleistet Br

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