Hybridauto für US Militär

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