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vom 30.05.2018, aktuelle Version,

Brennstoffzelle

Mit Methanol betriebene Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Wenn auch mit Brennstoffzelle oft eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle gemeint ist, können je nach Brennstoffzellentyp außer Wasserstoff auch viele andere Brennstoffe genutzt werden, insbesondere Methanol, Butan oder Erdgas.

Eine Brennstoffzelle ist kein Energiespeicher, sondern ein Wandler. Die Energie wird in chemisch gebundener Form mit den Brennstoffen zugeführt.

Die gemessen an der Zahl der installierten Geräte wichtigsten Anwendungen der Brennstoffzelle dienen der Gebäudeversorgung sowie der netzunabhängigen Stromversorgung: Vor allem in Japan werden Gebäude, z. B. Wohnhäuser, mit Wärme und Elektrizität aus Brennstoffzellen versorgt (Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung). Dazu wurden bis zum März 2018 in Japan etwa 220.000 Gebäude mit Brennstoffzellenheizungen ausgestattet;[1] dabei wurden umgerechnet 75 Mio. Euro an staatlichen Zuschüssen aufgewendet („ENE-FARM“-Programm).[2] In Deutschland sind über 1.500 Brennstoffzellenheizungen installiert.[3] Die zahlenmäßig zweitwichtigste Anwendung von Brennstoffzellen ist die Versorgung von netzfernen Geräten wie z. B. Messstationen oder von Elektrogeräten beim Camping. Für diesen Zweck werden Direktmethanolbrennstoffzellen verwendet, von denen bis April 2018 nach Firmenangaben über 40.000 Geräte verkauft wurden.[4] Mehr als 20.000 Gabelstapler, Hubwagen oder ähnliche Transportmittel werden mit Brennstoffzellen betrieben, viele davon in den USA.[5][6] Über 6200 weitere Fahrzeuge werden mit Stand März 2018 mit Brennstoffzellen angetrieben: vom im Markt führenden Toyota Mirai wurden über 5600 Exemplare hergestellt, ferner verkaufte Hyundai allein im europäischen Markt über 500 Hyundai ix35 FCEV.[7] Dazu kommen deutlich über einhundert Brennstoffzellenbusse (ca. 70 in Europa, 40 in China, 26 in den USA[8]).

Vergleich mit Wärmekraftmaschinen

Die Gewinnung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern erfolgt zumeist durch Verbrennung und Nutzung der entstehenden heißen Gase in einer Wärmekraftmaschine mit nachgeschaltetem Generator. So wird erst chemische Energie durch Verbrennung in thermische Energie und dann in mechanische Arbeit umgewandelt. Erst aus dieser wird im Generator Strom erzeugt. Eine Brennstoffzelle ist jedoch geeignet, die Umformung ohne die Umwandlung in Wärme und Kraft zu erreichen und ist dadurch potenziell effizienter. Im Unterschied zu einer Verbrennungskraftmaschine wandelt sie chemische Energie direkt in elektrische Energie um und unterliegt nicht dem schlechten Wirkungsgrad von Verbrennungskraftmaschinen. Die theoretisch erreichbare Nutzarbeit ist allein durch die freie Enthalpie der chemischen Reaktion beschränkt und kann damit höher sein als bei der Koppelung einer Wärmekraftmaschine (Carnot-Wirkungsgrad) mit einem Generator zur Stromerzeugung. Praktisch ist auch der mit der Kombination von Brennstoffzelle und Elektromotor erzielte Wirkungsgrad höher als der von Otto- oder Dieselmotoren. Allerdings sollte in der gesamten Wirkkette auch der Aufwand zur Herstellung und Speicherung der Energie mit betrachtet werden.

Geschichte

Eine einfache Brennstoffzelle wurde 1838 von Christian Friedrich Schönbein erstellt, indem er zwei Platindrähte in Salzsäure mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff umspülte und zwischen den Drähten eine elektrische Spannung bemerkte. Ein Jahr später veröffentlichte Schönbein diese Ergebnisse. Sir William Grove schrieb noch im selben Jahr eine Notiz über das sogenannte „batterisierte Knallgas“. Zusammen mit Schönbein erkannte er die Umkehrung der Elektrolyse und das Erzeugen von Strom in diesem Phänomen und wandte diese Erkenntnisse in mehreren Versuchen an.

Recht bald war man von den Brennstoffzellen regelrecht begeistert. Man hoffte die Kohle und Dampfmaschinen zu ersetzen. 1875 schrieb Jules Verne in seinem Buch „Die geheimnisvolle Insel“ über die Brennstoffzelle:

„Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.“

Wegen der Erfindung des elektrischen Generators, damals Dynamomaschine genannt, durch Werner von Siemens geriet die als „galvanische Gasbatterie“ bezeichnete Erfindung zunächst in Vergessenheit. Die Dynamomaschine war in Verbindung mit der Dampfmaschine bezüglich Brennstoff und Materialien relativ einfach und unkompliziert und wurde daher zu dieser Zeit der komplexen Brennstoffzelle vorgezogen. Wilhelm Ostwald machte sich um die theoretische Durchdringung der Brennstoffzelle verdient. 1894 erkannte er ihr hohes Potential gegenüber den Wärmekraftmaschinen.

Erst in den 1950er Jahren wurde die Idee wieder aufgegriffen, da in der Raumfahrt und beim Militär kompakte und leistungsfähige Energiequellen benötigt wurden. Die Brennstoffzelle wurde ab 1963 erstmals an Bord eines Satelliten und für die Gemini- und Apollo-Raumkapseln eingesetzt.

In den 1990er-Jahren führte die kalifornische Gesetzgebung zu neuen Impulsen. Nun wurden Fahrzeuge mit niedrigen Emissionen von jedem Hersteller gefordert. Seither machte die Brennstoffzellenentwicklung international große Fortschritte, sowohl in der Forschung als auch in der Anwendung.[9]

Besondere Ereignisse

Der erste Prototyp eines größeren brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeuges konnte 1959 von Allis-Chalmers mit einem brennstoffzellenbetriebenen Traktor vorgestellt werden.[10] Die ersten produktiven Einsätze hatte die Brennstoffzelle in der US-amerikanischen Raumfahrttechnik der 1960er Jahre. In den Apollo-Mondmissionen diente sie als meist zuverlässiger Energielieferant. Als aber am 11. April 1970 die Rakete der Apollo-13-Mission mit drei Mann Besatzung nach problemlosem Start das All erreichte, explodierte einer der beiden Sauerstofftanks im Servicemodul der „Odyssey“ und beschädigte dabei die Sauerstoffleitung des anderen Sauerstofftanks, so dass alle drei Brennstoffzellen abgeschaltet werden mussten.

Aufbau

Schematische Darstellung der Funktion einer PEMFC-/DMFC-(/PAFC-)Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle besteht aus Elektroden, die durch einen Elektrolyten (Ionenleiter) voneinander getrennt sind. Der Elektrolyt kann aus einer semipermeablen Membran bestehen, die nur für eine Ionensorte, z. B. Protonen, durchlässig ist.

Die Elektrodenplatten/Bipolarplatten bestehen meist aus Metall oder Kohlenstoff, z. B. aus einem Kohlenstofffilz. Sie sind mit einem Katalysator beschichtet, zum Beispiel mit Platin oder mit Palladium. Als Elektrolyten können beispielsweise gelöste Laugen oder Säuren, Alkalicarbonatschmelzen, Keramiken oder Membranen dienen.

Die Energie liefert eine Reaktion von Sauerstoff mit dem Brennstoff, der Wasserstoff sein kann, jedoch ebenso aus organischen Verbindungen wie beispielsweise Methan oder Methanol bestehen kann. Beide Reaktionspartner werden über die Elektroden kontinuierlich zugeführt.

Die theoretische Spannung einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle ist 1,23 V bei einer Temperatur von 25 °C. In der Praxis werden jedoch im Betrieb nur Spannungen von 0,5–1 V erreicht; nur im Ruhezustand oder bei kleinen Strömen werden Spannungen oberhalb 1 V erhalten. Die Spannung ist vom Brennstoff, von der Qualität der Zelle und von der Temperatur abhängig. Um eine höhere Spannung zu erhalten, werden mehrere Zellen zu einem Stack (engl. für ‚Stapel‘) in Reihe geschaltet. Unter Last bewirken die chemischen und elektrischen Prozesse ein Absinken der Spannung (nicht bei der Hochtemperatur-Schmelzkarbonatbrennstoffzelle, MCFC).

Bei der Niedertemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC; oder Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC) ist der Aufbau wie folgt:

  1. Bipolarplatte als Elektrode mit eingefräster Gaskanalstruktur, beispielsweise aus leitfähigen Kunststoffen (durch Zugabe von zum Beispiel Carbon-Nanoröhrchen elektrisch leitend gemacht);
  2. poröse Carbon-Papiere;
  3. Reaktivschicht, meist auf die Ionomermembran aufgebracht. Hier stehen die vier Phasen Katalysator (Pt), Elektronenleiter (Ruß oder Carbon-Nanomaterialien), Protonenleiter (Ionomer) und Porosität miteinander in Kontakt;
  4. protonenleitende Ionomermembran: gasdicht und nicht elektronenleitend.

Alternativen zu Wasserstoff

Mögliche Alternativen zur direkten Wasserstoffspeicherung sind Treibstoffe wie Ethanol, Methanol oder andere Kohlenwasserstoffe, von denen kurz vor Gebrauch der Wasserstoff durch katalytische Verfahren gewonnen wird. Diese Verfahren tragen jedoch in nicht unerheblichem Maße durch CO2-Ausstoß zur Umweltbelastung bei, was die ansonsten perfekte Umweltverträglichkeit der Brennstoffzelle einschränkt. Ethanol und Methanol können auch aus Wasser und Kohlendioxid synthetisiert werden, wobei jedoch wiederum die Gewinnung von Kohlendioxid, das in der Luft nur in sehr geringer Konzentration vorkommt, energieaufwendig sein kann. Die Wirtschaftlichkeit dieser Verfahren hängt von den Katalysatoren ab, deren beste Varianten das teure Platin enthalten. Eine breite Verwendung von Platinkatalysatoren würde zudem zu einer weiteren Verknappung und Verteuerung von Platin führen.

Brennstoffzellentypen

Bedeutende Brennstoffzellentypen

Die bis heute (Stand 2018) wichtigsten Brennstoffzellentypen sind:[11][12]

Verschiedene Typen der Brennstoffzelle
Bezeichnung Elektrolyt Mobiles
Ion
Brennstoff (Anode) Gas der Kathode Leistung (kW) Temperatur (°C) el. Wirkungs-
grad (%)
Alkalische Brennstoffzelle (AFC) Kalilauge OH H2 (Wasserstoff) O2 (Sauerstoff, CO2-frei) 10–100 150–220[13] 40[13]–60
Polymerelektrolyt-
Brennstoffzelle
(PEMFC)
Polymer-
Membran
H3O+ H2 O2 0,1–500 10–100 35[14]–60[15]
Direktmethanol-
Brennstoffzelle
(DMFC)
Polymer-
Membran
H3O+ CH3OH (Methanol) O2 <0,001–100 60–130[16] 40[16]
Phosphorsäure-
Brennstoffzelle
(PAFC)
Phosphorsäure H3O+ H2 O2 <10.000 110–220[13] 38[14]–40[13]
Schmelzkarbonat-
Brennstoffzelle
(MCFC)
Alkali-Carbonat-
Schmelzen
CO32− H2, CH4, Kohlegas O2 100.000 550–700[13] 48[14]–70[13]
Festoxid-
Brennstoffzelle
(SOFC)
oxidkeramischer
Elektrolyt
O2− H2, CH4, Kohlegas O2 (Luft) <100.000 450–1000[13] 47[14]–70[13]

Nur wenige Brennstoffe, vor allem Wasserstoff und Methanol oder – bei höherer Temperatur – auch Methan bzw. gereinigtes Erdgas oder Kohlegas werden bisher in der Praxis genutzt.

Weitere Brennstoffzellentypen in der Forschung

Theoretisch kann fast jeder Brennstoff auch in Brennstoffzellen genutzt werden. Versuche dazu gab es vor allem mit verschiedenen Alkoholen, vor allem auch mit den Alkoholen Ethanol (Direktethanolbrennstoffzelle) und Propanol, da diese im Vergleich zum oben genannten Methanol deutlich weniger giftig sind. Auch mit Aldehyden (insbesondere Formaldehyd), Ketonen und mit verschiedenen Kohlenwasserstoffen wurde experimentiert. Gut erforscht und weit entwickelt ist auch die Verwendung von Ameisensäure (Methansäure) in der Ameisensäure-Brennstoffzelle. Aufgrund der leichten Verfügbarkeit von Kohle als Primärenergiequelle wäre auch die Kohlenstoff-Brennstoffzelle zum Ersatz von Kohlekraftwerken vorteilhaft, aber die praktische Umsetzung hat sich als schwierig erwiesen.

Auch die kohlenstofffreien Verbindungen Ammoniak und Hydrazin können als Energielieferanten für Brennstoffzellen dienen.

Praktisch alle Brennstoffzellen nutzen Sauerstoff bzw. Luft als Oxidationsmittel. Für Sonderanwendungen, z. B. für militärische Zwecke, könnten statt Sauerstoff auch Oxidationsmittel wie Wasserstoffperoxid oder Salpetersäure verwendet werden. Auch mit Halogenen, insbesondere mit Chlor, wurde experimentiert. Mit den genannten alternativen Oxidationsmitteln sind pro Zelle besonders hohe Spannungen möglich.

Reversible Brennstoffzelle

Eine Weiterentwicklung der herkömmlichen Brennstoffzelle ist die Reversible Brennstoffzelle (en. reversible fuel cell, RFC), in der Stromerzeugung und -speicherung kombiniert werden. Sie besteht im einfachen Fall aus der Kombination einer Wasserstoff-Brennstoffzelle mit einem Elektrolyseur. Neuere Modelle kombinieren den Verbrennungs- und Elektrolyse-Prozess, um Gewicht zu sparen und die Komplexität zu vermindern. Damit eignen sich reversible Brennstoffzellen für Energiespeicher und als Ersatz von Akkumulator-Systemen.[17]

Chemische Reaktionen

Die Gesamtreaktion entspricht in der Regel der Verbrennungsreaktion des Brennstoffes.

Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle

Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde 1838 von Christian Friedrich Schönbein anhand der Reaktion

erfunden. Viele Brennstoffzellentypen nutzen heutzutage diese Reaktion als „kalte Verbrennung“ zur Gewinnung elektrischer Energie.

Ein wichtiges Beispiel ist die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC). Eine solche Brennstoffzelle verwendet in der Regel Wasserstoff als Energieträger und erreicht einen Wirkungsgrad von etwa 60 %. Andere Konstruktionen arbeiten mit Methanol oder Methan und erzeugen daraus den Wasserstoff mittels Dampfreformierung. Das Kernstück der PEMFC ist eine Polymermembran, die ausschließlich für Protonen durchlässig ist (also nur für H+-Ionen), die so genannte proton exchange membrane (PEM). Das Oxidationsmittel, für gewöhnlich Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich vom Reduktionsmittel getrennt.

Der Brennstoff, hier Wasserstoff, wird an der Anode katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Diese gelangen durch die Ionen-Austausch-Membran in die Kammer mit dem Oxidationsmittel. Die Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher, zum Beispiel eine Glühlampe, zur Kathode. An der Kathode wird das Oxidationsmittel, hier Sauerstoff, durch Aufnahme der Elektronen zu Anionen reduziert, die unmittelbar mit den Wasserstoffionen zu Wasser reagieren.

Brennstoffzellen mit einem solchen Aufbau heißen Polyelektrolyt-Brennstoffzellen, PEFC (für Polymer Electrolyte Fuel Cell) oder auch Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, PEMFC (für Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Die verwendeten Membranen sind saure Elektrolyten.

Redox-Reaktionsgleichungen für eine PEMFC:

Saurer Elektrolyt Gleichung
Anode
Oxidation / Elektronenabgabe
Kathode
Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion
Redoxreaktion / Zellreaktion

Es gibt auch alkalische Wasserstoff-Brennstoffzellen. Sie arbeiten jedoch nur mit hochreinem Wasserstoff und Sauerstoff. In ihnen werden die Gase durch poröse, katalytisch wirksame Elektroden in eine basische Lösung eingeleitet.

Schema einer basischen Wasserstoffbrennstoffzelle

Die dort ablaufenden Redox-Reaktionen lauten:

Basischer Elektrolyt Gleichung
Anode (Minus-Pol)
Oxidation / Elektronenabgabe
Kathode (Plus-Pol)
Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion
Redoxreaktion / Zellreaktion

Andere Brennstoffzellen

Für die Reaktionsgleichungen der Direktmethanolbrennstoffzelle siehe hier.

Elektrischer Wirkungsgrad, Kosten, Lebensdauer

Am Institut für Energieforschung am Forschungszentrum Jülich wurden im Jahr 2003 für Brennstoffzellensysteme folgende Testergebnisse erzielt:[14]

Typ Betriebsparameter Leistung Elektrischer Wirkungsgrad Einsatzbereitschaft für KWK Kosten €/kW
PEFC[18] 70 °C, fester Elektrolyt 250 kW 35 % Feldtest < 10.000
PAFC 250 °C 200 kW 38 % Serie > 5.000
MCFC 650 °C, für stationäre Anwendung 280 kW 48 % Feldtest < 8.000
SOFC[19] 900 °C, für stationäre Anwendung 100 kW 47 % Feldtest 20.000

Stand 2012 erreichen Brennstoffzellen im praktischen Betrieb einen Wirkungsgrad bis zu 60 %.[15]

Kosten und Wirkungsgrad des Gesamtsystems sind auch von den Nebenaggregaten, bei einem Brennstoffzellen-Fahrzeug z. B. von der Traktionsbatterie, dem Elektroantrieb und dem Aufwand zur Bereitstellung des Brennstoffzellen-Brennstoffes, abhängig. Als Vergleichsbasis werden daher umfassende Betrachtungen der Wirkketten, bei Kraftfahrzeugen auf der Basis Well-to-Wheel, vorgenommen.

Die folgende Tabelle zeigt Leistungs-, Wirkungsgrad- und Kostenüberblick für verschiedene konventionelle Energienutzungen:

Typ Leistung Wirkungsgrad Kosten €/kW
konventionelle Kraft-Wärme-Kopplung bis 100 kW 34 % (el.) 1000
konventionelle Kraft-Wärme-Kopplung ab 1000 kW 41 % (el.) < 500
Stadtbus (Dieselmotor) 300 kW 45–50 %[20] < 275
LKW, Reisebus 500 kW 45–50 %[20] < 100
PKW (Ottomotor) 100 kW 35–38 %[20] 50
Gasturbinen 1 kW–300 MW 25–46 %[21][22] 2200

Die Lebensdauer einer PAFC-Brennstoffzelle liegt zwischen 40.000 Betriebsstunden für stationäre und 5.000 Betriebsstunden für mobile Systeme[23] (40.000 Betriebsstunden entsprechen 1666 Dauerbetriebstagen oder 4,6 Dauerbetriebsjahren). Die Lebensdauer einer Festoxid-SOFC-Brennstoffzelle ist derzeit noch auf einige Monate beschränkt bei Herstellungskosten in der Größenordnung von rund 100.000 Franken (62.000 Euro) (Stand: 13. März 2006).[24]

Hochtemperaturbrennstoffzellen können zur Erhöhung des Wirkungsgrades mit einer Mikrogasturbine gekoppelt werden, sodass sie kombiniert Wirkungsgrade von über 60 % erreichen.[25]

Anwendungen

Die ersten Anwendungen von Brennstoffzellen ergaben sich in Bereichen wie Militär und Raumfahrt, in denen die Kosten eine untergeordnete Rolle spielten und die spezifischen Vorteile die Kostenvorteile der Dieselgeneratoren überwogen. Brennstoffzellen sind leichter als Akkumulatoren sowie zuverlässiger und leiser als Generatoren. Die geringen Geräuschemissionen und die Möglichkeit, Brennstoffzellen nach sehr langer Inaktivität zuverlässig zu betreiben, trugen zu einer anfangs oft militärischen Nutzung sowie einem Einsatz in Notstromversorgungen bei. Zudem können Brennstoffzellen in Kombination mit einem Elektromotor Bewegungsenergie in verschiedenen Einsatzbereichen effizienter erzeugen als Verbrennungsmotoren, etwa wegen des konstanten Drehmomentverlaufs oder der besseren Regelbarkeit Ersterer.

Eine Stärke von Brennstoffzellen liegt in der im Vergleich mit anderen Stromspeichern hohen Energiedichte, wodurch sich das frühzeitige Interesse des Militärs und der Raumfahrt an dieser Technik erklärt.

Im Jahr 2016 wurden weltweit etwa 62.000 Brennstoffzellensysteme verkauft.[26] Davon wurden die meisten, nämlich über 50.000, für stationäre Anwendungen gebraucht.[26] Die Gesamtleistung aller 2016 verkauften Systeme wird auf 0,5 GW geschätzt, wovon mehr als die Hälfte nach Asien verkauft wurde.[26] Die Gesamtleistung der 2015 verkauften Systeme war mit etwa 0,3 GW deutlich kleiner gewesen.[26]

Stationärer Einsatz

Heizsystem Vitovalor 300-P von Viessmann mit Brennstoffzelle von Panasonic zur kombinierten Strom- und Wärmegewinnung

Der stationäre Einsatzbereich eines Brennstoffzellensystems erstreckt sich über einen weiten Leistungsbereich, angefangen bei kleinen Systemen mit einer Leistung von zwei bis fünf Kilowatt elektrischer Leistung – beispielsweise als Hausenergieversorgung – bis hin zu Systemen im niedrigen Megawattbereich. Größere Systeme werden in Krankenhäusern, Schwimmbädern oder für die Versorgung von kleinen Kommunen eingesetzt. Europas größtes Brennstoffzellenkraftwerk hatte mit Stand September 2016 eine Leistung von 1,4 MW.[27]

Eine stromerzeugende brennstoffzellenbasierte HyO-Heizanlage („Hy“ = Hydrogenium = Wasserstoff und „O“ = Oxygenium = Sauerstoff; Mini-Blockheizkraftwerk = Mini-BHKW) besteht aus mehreren Komponenten. Im Idealfall des Bezugs von – möglichst klimaneutral erzeugtem – Wasserstoff wird eine mit geringem Aufwand herstellbare PEM-BZ (Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle) eingesetzt. Solange noch kein (Bio-)Wasserstoff als Brennstoff zur Verfügung steht, sondern stattdessen fossiles oder biogenes Methan (Erdgas oder gar „BioErdgas“), ist eine aufwändige und störungsanfällige Reformer-Einheit erforderlich. Diese verwandelt das Methan in Wasserstoff zum direkten Betrieb der brennstoffzellenbasierten HyO-Anlage und in CO2 als Abgas. Die zweite Komponente ist die Brennstoffzelle (BZ), die für den chemischen Prozess (Oxidation des zugeführten Wasserstoffs) mit der Folge der Erzeugung von Strom und Wärme Sauerstoff aus der Umgebungsluft verwendet.[28] Hinzu kommen noch die elektrische Leistungselektronik und die dazugehörige Regelung der Betriebsführung. Zur Deckung von thermischen Lastspitzen sind meist zusätzliche herkömmliche erdgasbetriebene Wärmeerzeuger installiert.

Für den stationären Anwendungsbereich kommen alle Typen von Brennstoffzellen in Betracht. Aktuelle Entwicklungen beschränken sich auf die SOFC, die MCFC und die PEMFC. Die SOFC und die MCFC haben den Vorteil, dass – bedingt durch die hohen Temperaturen – Erdgas direkt als Brenngas eingesetzt werden kann. Der Entzug von Wasserstoff (H2) aus dem Methan (CH4) des Gasleitungsnetzes („Reformierungsprozess“) verläuft dabei innerhalb der Hochtemperaturbrennstoffzelle (HT-BZ), was beim Einsatz von Methan einen separaten Reformer überflüssig macht. Die im Niedertemperaturbereich arbeitende PEM-Brennstoffzelle hingegen benötigt bei Methan-Einsatz für die Erzeugung von Wasserstoff eine separate Reformer-Einheit mit einer aufwändigen Gasreinigungsstufe, weil das Reformat weitgehend von Kohlenstoffmonoxid (CO) befreit werden muss. CO entsteht bei jeder Reformierung von Kohlenwasserstoffen. CO ist bei diesem BZ-Typ ein Katalysatorgift und würde sowohl die Leistung als auch die Lebensdauer der Brennstoffzelle deutlich verringern.

Beim Betrieb der Hochtemperaturzellen SOFC und MCFC kann die heiße Abluft zur Sterilisation von Gegenständen genutzt werden. Als Notstromerzeuger sind sie wegen der längeren Anfahrphase ungeeignet. Ein Niedertemperatur-PEMFC-System hingegen kann sich bei plötzlichem Notstrombedarf innerhalb von Sekundenbruchteilen selbsttätig in Betrieb setzen.

Betriebsweise

Bei der stationären BZ-Anwendung steht derzeit die Wärmeproduktion gegenüber der Stromproduktion im Vordergrund. Diese Systeme werden deshalb meist wärmebedarfsgeführt betrieben. Das bedeutet, dass die Systemleistung nach der benötigten Wärmemenge geregelt wird, wobei der erzeugte elektrische Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Stationäre BZ-Systeme werden am besten mit einer geringen Leistungsmodulation betrieben. Idealerweise wird der Wärmegrundlastbedarf komplett über das BZ-BHKW gedeckt. (Wärme-) Lastspitzen werden über konventionelle Heizgeräte abgedeckt. Auf diese Weise arbeitet das stationäre BZ-System bei lediglich einem einzigen konstanten Lastpunkt. Dadurch kann das System auf den maximalen Wirkungsgrad hin ausgelegt werden. Die Lebensdauer einer BZ ist in erster Annäherung durch die Anzahl der Start-Stopp-Zyklen bestimmt, da diese die ungünstigste Auswirkung auf die Katalysatoren im Inneren zeigen.

Für eine PEM-Brennstoffzelle mit geschlossener Kathode gilt, dass sie in ausgeschaltetem Zustand beidseitig – also auch sauerstoffseitig – abgedichtet werden sollte. Das vereinfacht einen erneuten Start, da die für den Betrieb notwendige Feuchtigkeit beibehalten wird, und sich keine schädlichen Gase ansammeln können. Sofern die Lagerung bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt erfolgen soll, muss die Brennstoffzelle komplett ausgetrocknet werden, um Schäden durch Eisbildung zu verhindern.

Mobiler Einsatz

Gabelstapler und andere Flurförderzeuge

Gabelstapler, motorisierte Hubwagen und andere Flurförderzeuge werden oft in Lager- oder Fabrikhallen und damit in Innenräumen eingesetzt, wo keine mit Benzin oder Diesel betriebene Verbrennungsmotoren verwendet werden dürfen. Daher sind sie oft elektrisch angetrieben, zumeist mit einem Akkumulator als Energiespeicher. Wenn die Gabelstapler nur tagsüber im Einsatz sind, können ihre Akkumulatoren problemlos über Nacht geladen werden. Sollen Flurfördergeräte aber im Schichtbetrieb rund um die Uhr oder zumindest mit begrenzten Pausenzeiten genutzt werden, erfordern akkubasierte Systeme einen Laderaum mit Wechselakkus. In solchen Fällen werden zunehmend mit Brennstoffzellen betriebene Gabelstapler und Hubwagen verwendet, da diese sich in wenigen Minuten mit Wasserstoff betanken lassen und so mit kleinerem Betriebsaufwand und geringerem Platzbedarf fast ununterbrochen zur Verfügung stehen. Dieser Trend ist vor allem in den USA verbreitet, wo die Einführung von Brennstoffzellen staatlich gefördert wurde, z. B. mit Steuergutschriften, beschleunigter Abschreibung oder mittels Subventionen. Daher werden in den USA eine zunehmende Zahl von Flurförderzeugen mit Brennstoffzellen betrieben: Im Juni 2011 waren in den USA mehr als 1500 Gabelstapler damit ausgestattet[29], im Oktober 2013 mehr als 4000[30], im Dezember 2014 (einschließlich bestellter Geräte) mehr als 8200[31], im Dezember 2015 mehr als 7500 (davon allein bei Walmart 2800)[32], im November 2016 mehr als 11.000[33] und im April 2017 mehr als 16.500 Transportmittel (einschließlich bereits bestellter)[5]. In Europa sind es noch wenige, z. B. waren im August 2016 in Europa 140 Geräte im Flotteneinsatz.[34] Weltweit sind mehr als 20.000 Flurfördergeräte mit Brennstoffzellen ausgestattet.[6] Die Logistikbranche ist damit ein wichtiger Markt für Brennstoffzellen, auch wenn der Marktanteil gemessen an den jährlichen Verkaufszahlen von Gabelstaplern, die eine Million Geräte übersteigt,[35] bisher noch klein ist. Aufgrund der Investitionskosten für eine Wasserstofftankstelle (Gastanks, Leitungen, Zapfstelle) amortisiert sich eine wasserstoffbetriebene Gabelstaplerflotte nur dann, wenn sie groß genug ist, beispielsweise wenn sei mehr als 50 Geräte umfasst.[34] Im August 2016 hatte in Nordamerika die Flotten von Brennstoffzellenförderzeugen eine durchschnittliche Größe von 130 Geräten.[34]

Straßenverkehr

Hauptartikel: Brennstoffzellenfahrzeug
Toyota Mirai

Im Jahr 2017 wurden weltweit über 3.300 Personenkraftwagen mit Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb verkauft: über 2.600 Toyota Mirai, über 500 Honda Clarity FCEV und knapp 200 Hyundai ix35/Tucson FCEV.[36]

Hyundai ix35 Fuel FCEV

Mehrere Automobilfirmen (u. a. Volkswagen, Toyota, Daimler, Ford, Honda, General Motors / Opel) forschen teilweise bereits seit 20 Jahren mit staatlicher Förderung[37] an Automobilen, deren Treibstoff Wasserstoff ist, und die zur Energieumwandlung Brennstoffzellen sowie einen Elektromotor zum Antrieb nutzen. Ein Beispiel sind die Fahrzeuge NECAR 1 bis NECAR 5 sowie Mercedes-Benz F-Cell. Auslöser für die erheblichen Anstrengungen in der Forschung war insbesondere der Zero emission act bzw. das Zero Emission Vehicle mandate (ZEV) in den USA, die vorsahen, dass Autos zukünftig abgasfrei fahren sollen. Für das Jahr 2003 war vorgesehen, dass 10 % aller neu zugelassenen Fahrzeuge in Kalifornien diesem Gesetz unterliegen sollten.[38] Kurz vorher, nach massivem Druck der amerikanischen Automobilindustrie, wurde das ZEV jedoch gekippt, obgleich es weiterhin diskutiert wird.

Durch den verstärkten Einsatz von emissionsfreien Fahrzeugen in Ballungszentren und Großstädten wird eine Verbesserung der dortigen Luftqualität erwartet. Ein Nebeneffekt wäre allerdings, dass die Emissionen vom Ort der Fahrzeugnutzung dorthin verlagert werden, wo der Wasserstoff hergestellt wird, soweit das nicht aufgrund klimaneutraler Verfahren erfolgt. Für die Wasserstoffherstellung gibt es mehrere Möglichkeiten mit unterschiedlicher Effizienz.

Für den breiten Einsatz der mobilen Wasserstoffanwendungen ist der gleichzeitige Aufbau von Wasserstofftankstellen erforderlich. Am sinnvollsten geschieht das durch den Umbau der Energiewirtschaft zu einer Wasserstoffwirtschaft. Für die Mitnahme von Wasserstoff in Fahrzeugen kommen neben Druckbehältern auch andere Formen der Wasserstoffspeicherung in Frage, beispielsweise in Metallhydriden oder unter hohem Druck und niedriger Temperatur als flüssiger Wasserstoff. Energetisch beim mobilen Einsatz ist dabei der hohe Energiebedarf für die Komprimierung (bis 700 bar) oder die Verflüssigung (etwa −250 °C) zu beachten, der den Gesamtwirkungsgrad (Well-to-Wheel) der Fahrzeuge mit Wasserstoffspeichern deutlich senkt.

Trotz des hohen Wirkungsgrads der Brennstoffzelle gestaltet sich auch die Abfuhr der Abwärme auf dem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau der PEM-Brennstoffzelle von etwa 80 °C als problematisch, denn im Gegensatz zum Verbrennungsmotor beinhaltet das relativ kalte Abgas (Wasserdampf) nur eine vergleichsweise geringe Wärmemenge. Demzufolge ist man bestrebt, die Betriebstemperatur der PEM-Brennstoffzelle auf über 100 °C anzuheben, um leistungsstärkere Brennstoffzellen-Automobile mit mehr als 100 kW realisieren zu können.

Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts kann die Startfähigkeit der Brennstoffzelle aufgrund gefrierenden Wassers beeinträchtigt sein. Es muss sichergestellt sein, dass die elektrochemische Reaktion, insbesondere die Diffusion der Brenngase, nicht durch Eisbildung behindert wird. Das kann beispielsweise durch eine geeignete Elektrodenstruktur erzielt werden. Verschiedene Hersteller haben 2003 und 2004 bereits nachgewiesen, dass der Gefrierstart von PEM-Brennstoffzellen bei Temperaturen von bis zu −20 °C möglich ist; die Startzeiten seien mit denen von Verbrennungsmotoren vergleichbar.

Fahrzeugentwicklung

Die schon seriennah verfügbaren Prototypen kleinerer Fahrzeuge haben zum Ziel, die Größe, das Gewicht und die Kosten der Brennstoffzelle und eine geeignete Speicherung des Wasserstoffes zu erproben. So hat Daimler Fahrzeuge der A-Klasse und der B-Klasse mit Brennstoffzellen vorgestellt. In Hamburg und Stuttgart werden Busse mit Wasserstoffantrieb im normalen Linienbetrieb getestet. Der belgische Nutzfahrzeughersteller Van Hool hat bis März 2018 bereits 53 Wasserstoffbusse ausgeliefert (32 in Europa, 21 in Nordamerika). 40 weitere sind für 2019 bestellt.[39] Sie sollen von 85-kW-Ballard-Brennstoffzellen angetrieben werden.[40]

Seit dem 16. Juni 2008 lieferte Honda in begrenztem Rahmen den PKW FCX Clarity aus, der ausschließlich mit Brennstoffzellentechnik betrieben wird. Ebenfalls etwa seit 2007 gibt es auch Hybrid-Fahrräder[41] und Motorräder[42] mit Brennstoffzellenantrieb.

Mit Wasserstoff angetriebene, 2017 vorgestellte Prototypen von Elektrofahrzeugen von Hyundai oder Toyota besitzen Reichweiten von bis zu 800 km.[43][44]

Der Autohersteller Ford gab am 24. Juni 2009 bekannt, dass die Arbeit an Brennstoffzellen eingestellt wird. Ford setzt stattdessen lieber auf Batterien und den Elektromotor.[45] Im Dezember 2010 erklärte Ford allerdings, dass intern weiter an der Brennstoffzelle gearbeitet werde.[46] Ford ist an einem Joint Venture (Automotive Fuel Cell Cooperation Corp.; kurz: AFCC) mit der Daimler AG beteiligt. In Toronto (Kanada) werden Brennstoffzellen und Stacks gefertigt werden.[47] Die Entwicklung erfolgt wesentlich bei der Daimler-Tochter NuCellSys GmbH in Kirchheim unter Teck/Nabern.

Die Fahrzeughersteller Toyota, Nissan, Mercedes-Benz und Honda haben die Produktionskosten für wasserstoffgetriebene Fahrzeuge inzwischen deutlich reduziert.

Daimler (Mercedes-Benz) besitzt als einziger Fahrzeughersteller eine komplette eigene Fertigungsfabrik der Stacks und Brennstoffzellen[48] und zog die Serienfertigung von Brennstoffzellenfahrzeugen entgegen der ursprünglichen Planung um ein Jahr auf 2014 vor,[49] lieferte bis Oktober 2015 insgesamt ca. 70 Brennstoffzellenfahrzeuge in Deutschland, Asien und vorwiegend nach Kalifornien aus. Es handelte sich damit um das erste Brennstoffzellenfahrzeug, das in einer Serie gebaut und ausgeliefert wurde. Der Preis wurde mit etwa 20–30 % über dem eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor angegeben. Um die Alltagstauglichkeit des Wasserstoffantriebes und der Infrastruktur nachzuweisen, hat Mercedes-Benz (Daimler AG) eine Weltumrundung mit mehreren Brennstoffzellenfahrzeugen der B-Klasse erfolgreich abgeschlossen. Bereits 200 Serienfahrzeuge dieses Typs sind 2010 an Kunden ausgeliefert worden.[50] Ein im Staat Kalifornien seither betriebenes Tankstellennetz unterstützt die Alltagstauglichkeit durch Sicherstellung einer minimalen Infrastruktur. Der Versuch zeigte auch nach mehreren Jahren eine sehr hohe Zufriedenheit der Anwender und Zuverlässigkeit der Fahrzeuge.[51]

Mercedes-Benz bereitet die Markteinführung des GLC F-Cell vor.[52][53] Es handelt sich erstmals um eine Kombination einer großen Lithium-Ionen-Batterie (ca. 9–10 kWh) mit einer Brennstoffzelle, weswegen die Kombination auch als Brennstoffzellen-Plug-in-Hybrid bezeichnet wird.[54] Das Fahrzeug weist eine hohe Effizienz auf und erreicht eine Reichweite von über 500 km bei Tankzeiten von 3 Minuten.[55] Für das erste Kalenderjahr wurden mind. 1000 Stück erwartet.[56] Äußerungen des CEO Dr. Zetsche führten im März 2017 zu unterschiedlichen Spekulationen zur Zukunft der Brennstoffzelle.[57] Der Konzern hat diese Äußerungen später detailliert und bekräftigt, die Brennstoffzelle weiterhin zu fördern.[58] Im März 2018 wurde die Markteinführung des GLC F-Cell für Herbst 2018 geplant.[59]

Toyota plante den Einsatz von Großserien in Japan ab 2015 in Verbindung mit zahlreichen Wasserstofftankstellen in den japanischen Metropolregionen.[60] Mit dem Toyota Mirai wurde im Dezember 2014 eines der ersten Serien-Brennstoffzellen-Fahrzeuge neuer Generation vorgestellt; seit September 2015 wird es auch in Deutschland ausgeliefert. Der Elektromotor leistet 114 kW, die Höchstgeschwindigkeit liegt bei 178 km/h.[61] Der Wasserstoff wird in zwei getrennten Tanks gespeichert, die bei 700 bar jeweils 2,5 kg Wasserstoff aufnehmen und nach Herstellerangaben eine Reichweite von 500 km ermöglichen. Die Batterie ist jedoch sehr klein (1,6 kWh), weswegen der Mirai höchstens einen Mild-Hybrid darstellt, der zudem keine elektrische Lademöglichkeit besitzt. Die ausgelieferten Fahrzeuge (ca. 2800 Stück) erwiesen sich aber mehrfach als teilweise sehr unzuverlässig, was zu einem Gesamtrückruf aller Fahrzeuge 2017 führte.[62]

Opel wollte ab 2015 erste Modelle mit Brennstoffzellenantrieb in Serie fertigen und den Aufbau einer flächendeckenden Infrastruktur für Wasserstofftankstellen parallel zur Markteinführung vorantreiben.[63] Zur Auslieferung kam es jedoch nicht. Nach der Trennung von GM und Opel im Jahr 2017 wurde im Jahr 2018 in Rüsselsheim ein Kompetenzzentrum für die Entwicklung von Brennstoffzellen für die gesamte Groupe PSA angesiedelt.[64][65]

BMW und Volkswagen kündigten immer wieder Versuche an, jedoch blieben die Demonstratoren Versuchsfahrzeuge und Prototypen. Während BMW frühestens für den iNext (ab ca. 2025) eine Brennstoffzelle evaluiert,[66] sieht VW diese als dringlicher an und plant den Einsatz vor allem in größeren Fahrzeugen und der oberen Mittelklasse und Oberklasse.[67] Aktuell plant BMW frühestens ab ca. 2021 den Einsatz von Brennstoffzellen in Pkw in Kleinserie, ggf. ab 2025 in Serie.[68][69] Bei VW erfolgt die Entwicklung der Brennstoffzelle vorwiegend bei Audi.[70][71]

Luftfahrt

Hauptartikel: Wasserstoffflugzeug

Seit Mitte 2005 sind Brennstoffzellen auch in der Luftfahrt anzutreffen. Eine erste Drohne, deren Elektromotoren von einer Brennstoffzelle angetrieben werden, startete in Yuma, Arizona. Das DLR arbeitete an der Integration der Brennstoffzellentechnik in das unbemannte Forschungsflugzeug HyFish, das im März 2007 in der Nähe von Bern erfolgreich seinen Erstflug absolvierte.[72]

Auch an anderer Stelle sind Forschungsaktivitäten in der Luftfahrt im Gange. Zu Beginn des Jahres 2008 wurde in einem Testflug ein umgebauter Airbus A320 mit einer Brennstoffzelle als Backup-System für die Energieversorgung an Bord getestet. Als positiver Nebeneffekt kann das erzeugte Wasser für die Bordversorgung eingesetzt werden, was das Abfluggewicht senkt.[73]

Am 3. März 2008 betrieb Boeing zum ersten Mal ein kleines Flugzeug, eine Dimona von Diamond Aircraft, mit einem Hybridantrieb: Elektromotor mit Lithium-Ionen-Akkus und Brennstoffzelle. Nach dem Aufstieg mit beiden Energiequellen auf 1000 Meter Höhe wurde der Akkumulator abgetrennt und der Pilot flog die ersten 20 Minuten der Fluggeschichte mit Brennstoffzelle. Entwickelt wurde der Antrieb von Boeing Research & Technology Europe (BR&TE) in Madrid mit europäischen Industriepartnern.[74]

Eine Lange Antares 20E des DLR, in der die elektrische Energie mittels Wasserstoff über eine Brennstoffzelle erzeugt wird

Der erste (öffentliche) vollständige Flug (Start – Platzrunde – Landung) eines pilotengesteuerten und ausschließlich mit Energie aus Brennstoffzellen angetriebenen Flugzeuges fand am 7. Juli 2009 in Hamburg statt. Bei dem Flugzeug handelte es sich um den Motorsegler Antares DLR-H2, mit 20 Metern Spannweite, der vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie den Projektpartnern Lange Aviation, BASF Fuel Cells und Serenergy (Dänemark) sowie in enger Zusammenarbeit mit Airbus in 15 Monaten entwickelt und hergestellt wurde.[75][76]

Raumfahrt

Brennstoffzellen werden seit langem als Energiewandler in der Raumfahrt (Gemini, Apollo, Space Shuttle) verwendet.

Die amerikanischen Space Shuttles verwendeten Brennstoffzellen mit einer maximalen Dauerleistung von 3 × 7 kW für die Stromversorgung des Orbiters. Das bei den Brennstoffzellen anfallende Wasser konnte im Lebenserhaltungssystem verwendet werden.

Schifffahrt

Brennstoffzellenboot Hydra

Das weltweit erste Brennstoffzellen-Passagierboot war die Hydra, die mit Hilfe einer mit Wasserstoff betriebenen alkalischen Brennstoffzelle (AFC) angetrieben wurde. Sie konnte 22 Passagiere befördern und fuhr in den Jahren 1999/2000, unter anderem auf den Rhein bei Bonn. Seit 2001 ist sie nicht mehr in Betrieb, existiert aber noch und hat erstmals bewiesen, dass es technologisch möglich ist, mit Brennstoffzellen ein Passagierschiff anzutreiben.

Seit 2009 ist in Amsterdam das Rundfahrtboot Nemo H2 im Einsatz. Es hat zwei Polymerelektrolytbrennstoffzellen mit zusammen 80 kW Höchstleistung.

U-Boot-Klasse 212

Bei U-Booten ist Deutschland der einzige Anbieter eines serienmäßig hergestellten Modells mit Brennstoffzellen-Zusatzantrieb. TKMS liefert in Kooperation mit Siemens und Nordseewerke Emden seit 2005 die U-Boot-Klasse 212 mit einem solchen Antrieb (AIP: air independent propulsion) aus. Er leistet etwa 300 kW (408 PS) und ermöglicht eine Schleichfahrt ohne den 1050-kW-Dieselgenerator. Ebenso hat die U-Boot-Klasse 214 (vom selben Hersteller) Brennstoffzellen an Bord. In Bau befindet sich derzeit die spanische S-80-Klasse, die ebenfalls über einen außenluftunabhängigen Brennstoffzellen-Antrieb verfügt. Die erste Einheit soll laut Planung 2022 in Dienst gestellt werden.

Ende 2009 wurde eine Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) mit 320 kW zur elektrischen Energieversorgung des Bordnetzes auf dem norwegischen Bohrinselversorger Viking Lady installiert, um Erfahrungen im Schiffsbetrieb zu sammeln.

2017 startete der Katamaran Energy Observer eine Weltumfahrung mit Solarenergie, wobei auch eine 22-kW-Brennstoffzelle zum Einsatz kommt.[77]

Schienenverkehr

Der französische Bahnhersteller Alstom gab am 24. September 2014 auf der Innotrans in Berlin bekannt, dass ab 2018 Züge des Typs Coradia mit Brennstoffzellenantrieb zunächst in Niedersachsen getestet und später in Hessen, Nordrhein-Westfalen und Baden-Württemberg eingesetzt werden.[78][79] Die Verträge über die Lieferung von 14 Brennstoffzellen-Zügen sowie für ihre 30-jährige Instandhaltung und Energieversorgung wurden am 9. November 2017 unterzeichnet.[80][81] Zwei der Züge werden im Frühjahr 2018 den Pilotbetrieb im evb-Netz aufnehmen.[81] In Hessen startete am 13. April 2018 ein Coradia-iLint-Brennstoffzellenzug zu einer Demonstrationsfahrt.[82]

Fehlgeschlagene Markteinführungsversuche für mobile Elektronik oder Elektrogeräte

Im Zuge der zunehmenden weltweiten Verbreitung von mobiler Elektronik (einschließlich Handys, Personal Digital Assistants, Smartphones und Tabletcomputern) spielt die möglichst lange Laufzeit von Akkus eine herausragende Rolle. Allerdings ist diese je nach Grad der Nutzung auf wenige Stunden bis Tage begrenzt. Besonders Vielreisende sind oft gezwungen, zwischendurch ihr Gerät aufzuladen. Um die Abhängigkeit von der Steckdose zu verringern, wurden verschiedene kleine, tragbare Brennstoffzellensysteme und die dazugehörigen Brennstoffkartuschen entwickelt. Dabei wurden entweder Wasserstoff oder Butan oder Methanol als Brennstoffe verwendet. Obwohl viele Firmen funktionsfähige Prototypen vorgeführt und eine baldige Markteinführung angekündigt hatten, kamen diese Systeme nur selten auf den Markt oder verschwanden bald wieder, z. B. bei den Direktmethanolbrennstoffzellen. Der Hauptgrund dafür ist im schnellen Preisverfall von Lithiumionenbatterien zu sehen: im Vergleich zu einer damit bestückten Powerbank sind Brennstoffzellen deutlich teurer.

Beispielsweise entwickelte das Unternehmen Lilliputian Systems tragbare Brennstoffzellen, mit deren Hilfe sich Smartphones auch unterwegs und ohne Nutzung einer Steckdose mehrere Male aufladen lassen.[83] Die Markteinführung war für 2012 geplant. Die tragbaren Brennstoffzellen verfügen über einen USB-Anschluss und einen Tank mit Butangas, das die notwendige Energie liefert.[84] Im Juli 2014 meldete das Unternehmen aus Wilmington, Massachusetts, Insolvenz an.[85]

Die Firma Intelligent Energy bot seit Anfang 2015 eine Wasserstoff-Brennstoffzelle namens Upp[86] zum Aufladen von Smartphones an. Mit einer Wasserstoffkartusche sollen drei bis fünf Ladevorgänge eines iPhones 6 möglich sein, bis die Kartusche gewechselt oder vom Hersteller wieder aufgefüllt werden muss.[87] 2017 wurde das Unternehmen mit Hinweis auf kaum vorhandene Werte verkauft.[88]

Die Firma eZelleron wollte mit der Brennstoffzelle Kraftwerk auf Basis von Butan-Gas Energie für das elfmalige Laden eines Smartphones zur Verfügung stellen.[89] Die Markteinführung via Crowdfunding war für Anfang 2016 geplant und wurde erst auf Januar 2017, dann auf August 2017 verschoben.[90] Ende 2017 wurde von weiteren Verzögerungen berichtet, und im März 2018 begann ein Prozess wegen des Vorwurfs der verschleppten Pleite.[91]

Die Schweizerischen Bundesbahnen (SBB) führten ab Frühjahr 2014 versuchsweise in den rollenden Minibars mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen ein, um unterwegs genug Energievorrat für die eingebaute Espressomaschine zu haben. Die bisher verwendeten üblichen Akkumulatoren wären für diese energieaufwendige Aufgabe zu schwer gewesen.[92] Es wurden 12 Stück in Betrieb gesetzt, jedoch bereits 2016 wieder eingestellt. Der Versuch sei gescheitert.[93]

Siehe auch

Literatur

  • Peter Kurzweil: Brennstoffzellentechnik. Vieweg, Wiesbaden 2003, ISBN 3-528-03965-5; 2. erweiterte und aktualisierte Auflage: Springer Vieweg, Wiesbaden 2013, ISBN 978-3-658-00084-4.
  • Sven Geitmann: Wasserstoff & Brennstoffzellen – Die Technik von morgen. 2. Auflage, Hydrogeit Verlag, Kremmen 2004, ISBN 3-937863-04-4.
  • Krewitt, Pehnt, Fischedick, Temming: Brennstoffzellen in der Kraft-Wärme-Kopplung – Ökobilanzen, Szenarien, Marktpotenziale. Erich Schmidt Verlag, Berlin 2004, ISBN 3-503-07870-3.
  • CMT – Center of Maritime Technologies e. V.: Zukünftige Energieversorgung und Mobilität. In: Schiff & Hafen. Heft 9/2009, S. 72–73, Seehafen-Verlag, Hamburg, ISSN 0938-1643
  • U.S. Dept. of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory: Fuel Cell Handbook, Sixth Edition. EG&G Technical Services Inc., Science Applications International Corp., Under Contract No. DE-AM26-99FT40575, Morgantown, W. Virginia, November 2002.
  • Peter Gerigk, Detlef Bruhn, Dietmar Danner, Leonhard Endruschat, Jürgen Göbert, Heinrich Gross, Dietrich Kruse, Christian Rasmussen, Rainer Schopf: Kraftfahrzeugstechnik. 5. Auflage, Westermann Verlag, Braunschweig 1997, ISBN 3-14-231800-3.
  • Wie funktioniert das? – Technik heute. Meyers Lexikonverlag, Mannheim 1998, ISBN 3-411-08854-0.
  Commons: Brennstoffzelle  – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
  Wiktionary: Brennstoffzelle  – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

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  2. Hydrogeit: Japans Ministerpräsident Abe pusht Wasserstoff. In: HZwei-Blog. GeneratePress, Hydrogeit Verlag, Sven Geitmann, 7. September 2017, abgerufen am 27. März 2018.
  3. Christina Heß: Initiative Brennstoffzelle stellt sich neu auf. In: Pressearchiv. Zukunft ERDGAS GmbH, 30. Januar 2018, abgerufen am 27. März 2018.
  4. Ulrike Schramm: SFC Energy und Beijing Green Century Technologies unterzeichnen Partnerschaftsvereinbarung für EFOY Pro Brennstoffzellen in China. In: Investoren, Pressemitteilung. SFC Energy AG, 24. April 2018, abgerufen am 3. Mai 2018.
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  78. Jürgen Schultheis: "Emissionsfreie und deutlich leisere Fahrzeuge" – Alstom-Züge des Typs Coradia werden mit Brennstoffzellen ausgerüstet. In: News & Events. House of Logistics & Mobility (HOLM) GmbH, 24. September 2014, abgerufen am 1. April 2018.
  79. Alstom unterzeichnet erste Absichtserklärungen über den Einsatz von neuen emissionsfreien Schienenfahrzeugen. Alstom, 30. September 2014, archiviert vom Original am 13. März 2015; abgerufen am 28. Februar 2015 (Pressemitteilung).  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe den Link gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.alstom.com
  80. Sabine Schlemmer-Kaune, Rainer Peters, Dr. Thomas Hagn, Tanja Kampa: Minister Lies: „Die Zu(g)kunft beginnt in Niedersachsen“. In: Alstom Press Centre. Alstom, 9. November 2017, abgerufen am 28. März 2018.
  81. 1 2 Coradia iLint Wasserstoff-Triebzüge ab 2018 bei der LNVG. In: Internationales Verkehrswesen > Mobilität • Technologie. Trialog Publishers Verlagsgesellschaft, 9. November 2017, abgerufen am 28. März 2018.
  82. Hier fährt der Wasserstoff-Zug. In: Frankfurter Allgemeine > Wirtschaft. Frankfurter Allgemeine Zeitung GmbH 2, 13. April 2018, abgerufen am 14. April 2018.
  83. Tragbare Brennstoffzelle von Lilliputian Systems
  84. t3n: Tragbare Brennstoffzelle: Zwei Wochen Akkuladung fürs Smartphone in der Hosentasche. 10. Mai 2012, abgerufen am 25. Februar 2015.
  85. Kein Nectar – Insolvenz von Lilliputian Systems
  86. Upp
  87. Juli Clover: A Look at Fuel Cell Technology With Intelligent Energy’s ‚Upp‘ Hydrogen Power Pack for iPhone. Bei: MacRumors.com. 19. Februar 2015, abgerufen am 25. Februar 2015.
  88. Andrew Bounds: Hydrogen heads roll but investors spot hope on horizon. The Financial Times Limited, 29. Oktober 2017, abgerufen am 27. März 2018.
  89. kraftwerk – highly innovative portable power plant. Bei: Kickstarter.com.
  90. http://getkraftwerk.com/, abgerufen 13. September 2016
  91. Heiko Weckbrodt: „Kraftwerk“-Macher Sascha Kühn wegen verschleppter Pleite angeklagt. In: News, Wirtschaft, zAufi. Oiger – Neues aus Wirtschaft und Forschung, 26. Februar 2018, abgerufen am 27. März 2018.
  92. SBB Minibar: Dank Brennstoffzellen neu auch Cappuccino. (Memento des Originals vom 8. Mai 2014 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe den Link gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.cekatec.ch Auf: cekatec.ch. Abgerufen am 5. Oktober 2014.
  93. Still und heimlich eingestellt: Der SBB-Hightech-Minibar-Versuch. Schweizer Radio und Fernsehen SRF, 3. Februar 2016, abgerufen am 6. August 2017 (Schweizer Hochdeutsch).