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Brennstoffzelle

Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle ist eine wichtige Technologie in einer denkbaren Wasserstoffenergie- wirtschaft. Wasserstoff kann zukünftig fossile Energieträger ersetzen und in Brennstoffzellen verstromt werden. Die umweltfreundlichen Brennstoffzellen bieten sich gleichermaßen als Notstromaggregate (Auxiliary Power Units), als Antriebe für umweltfreundliche Automobile, als Blockheizkraftwerke und als modular skalierbarer Stromversorger an. Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle und in ihrer Funktionsweise vergleichbar mit einer Batterie oder einem Akkumulator. Sie wandelt die im Wasserstoff und Sauerstoff enthaltene chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um.

Eine Brennstoffzelle ist aus zwei Elektroden aufgebaut, die voneinander durch eine Membran oder einen Elektrolyten separiert sind. Wasserstoff überströmt die Anode, während der Sauerstoff die Katode umflutet. Bei der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff entsteht eine elektrische Spannung und Wärme.

Die Brennstoffzelle verzichtet auf bewegliche Komponenten und besitzt einen höheren Wirkungsgrad als Verbrennungsmotoren und Gasturbinen. Zum Betrieb benötigen Brennstoffzellen prinzipiell Wasserstoff, der aber auch aus Erdgas oder anderen Gasen mit Hilfe eines Reformers gewonnen werden kann. Unterschiedliche Elektrolyten verlangen bestimmte Betriebstemperatur- bereiche, die charakteristisch für die Art der Brennstoffzelle sind. Es gibt alkalische, phosphorsaure und oxidkeramische Brennstoffzellen sowie Schmelzkarbonat- und Polymermembran-Brennstoffzellen. Die theoretisch erreichbare Spannung kann im Betrieb aufgrund von Verlusten nicht erzielt werden. Im Allgemeinen können Polymermembran-Brennstoffzellen eine Spannung von ungefähr 0,6 bis 0,9 V liefern. Aus diesem Grunde schaltet man Einzelzellen in Reihe und baut Brennstoffzellstapel (Stacks) auf. Die Stromstärke ist durch die Größe der Flächen einstellbar.

Brennstoffzelle Einschub
Abbildung 1: Brennstoffzelle Relion Einzelkartusche.

Die Brennstoffzelle erscheint vielen Experten ökologisch lohnend. So können beispielsweise regenerative Energiequellen wie die Solarstrahlung in Kombination mit Photovoltaikanlagen dazu genutzt werden, um Wasserstoff mittels Elektrolyse aus Wasser zu gewinnen. Kostengünstiger erscheint momentan die direkte chemische Umwandlung von Biomasse in Wasserstoff mittels Steam-Reforming. Diese Wege zeigen somit interessante Perspektiven für eine nachhaltige Energieerzeugung auf.   

An der Hochschule Ansbach wird ein stationäres PEM-Brennstoffzellen -system mit 1 Kilowatt Dauerleistung betrieben und untersucht. Die Anlage verfügt über sechs Power Cartridges. Diese Einzelmodule werden wie Schubladen in das Gehäuse eingeschoben.

Ausstattung

  • PEM - Brennstoffzelle Relion I-1000 zur Nutzung von gasförmigen Wasserstoff, elektrische Leistung 1 kW, H2- Verbrauch 1Nm³/h, DC 48V
  • SMA - Wechselrichter Hydroboy HB1124 zur Netzeinspeisung
  • SMA- Inselwechselrichter Sunny Island 4248FC
  • Blei-Vlies Akkumulatoren, 280 Ah
  • Druckgas Wasserstoffspeicher, 30 bar, 200 bar
  • Strom- Spannungsmessgeräte, Galvanostat, Potentiostat, H2- Massflowmeter
  • Datenerfassungs-, Mess-, Steuer- und Regelsoftware auf der Basis von LabView

        

Zu vergebende Projekt- / Bachelor- und Diplomarbeiten:

  1. Untersuchung des Gesamtwirkungsgrades des Photovoltaik - Inselsystems bei DC und AC seitiger Kopplung der Brennstoffzelle
  2. Aufbau einer unterbrechungsfreien Stromversorgung mit Solarenergie für den Web-Server der Hochschule Ansbach


Veröffentlichungen

  1. Pschyklenk, M.: Planung, Aufbau und Inbetriebnahme eines autonomen Energieversorgungssystems auf der Basis einer 1-kW-PEM Brennstoffzelle, Diplomarbeit 2007.
  2. Pschyklenk, M.: Unterbrechungsfreie Stromversorgung, Kooperationsforum Energie 2007.
  3. Schlosser, T., Soller, S., Inbetriebnahme des Wasserstoffprüfstandes mit Brennstoffzelle, Projektarbeit 2007
  4. Bernhardt, H.: Aufbau der Relion I-1000 Brennstoffzelle, Projektarbeit 2008.
  5. Weiß, O., Müller, S., Knorr, J., Funktionsweise der Relion I-1000 Brennstoffzelle, Projektarbeit 2009