Schmierstoff + Schmierung
sus
2699-3244
expert verlag Tübingen
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Brennstoffzellen verstehen – Grundlagen, Potenziale und Perspektiven der PEM-Technologie
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Brennstoffzellen gewinnen im Zuge des globalen Klimawandels zunehmend an Bedeutung. Sie stellen eine Alternative zu fossilen Brennstoffen dar und ermöglichen die emissionsfreie Erzeugung von Energie. Damit bietet die Technologie eine attraktive Lösung für die Dekarbonisierung von Energieversorgung und Mobilität.
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25 Schmierstoff + Schmierung · 6. Jahrgang · 2/ 2025 FacHartikEl Exkurs zur Ergänzung der Wasserstoffstrategie des HIC Brennstoffzellen verstehen - Grundlagen, Potenziale und Perspektiven der PEM-Technologie Brennstoffzellen gewinnen im Zuge des globalen Klimawandels zunehmend an Bedeutung. Sie stellen eine Alternative zu fossilen Brennstoffen dar und ermöglichen die emissionsfreie Erzeugung von Energie. Damit bietet die Technologie eine attraktive Lösung für die Dekarbonisierung von Energieversorgung und Mobilität. Brennstoffzellen wandeln die in einem Brennstoff gespeicherte chemische Energie auf direktem Weg in elektrische Energie um. Verglichen mit herkömmlichen Stromerzeugungsprozessen werden also nicht mehrere Energiewandlungsprozesse benötigt, weshalb Brennstoffzellensysteme einen höheren Wirkungsgrad aufweisen. So liegt der Wirkungsgrad konventioneller Verbrennungsmotoren bei etwa 25 bis 30 Prozent, während Brennstoffzellensysteme Wirkungsgrade von über 50 Prozent aufweisen. Am weitesten verbreitet sind nach derzeitigem Stand sogenannte Polymerelektrolyt(PEM)-Brennstoffzellen. Als Reaktanden kommen bei diesem Brennstoffzellentyp Wasserstoff und Luftsauerstoff zum Einsatz. Eine PEM-Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), die von einer protonenleitenden Membran getrennt werden. Der zugeführte Wasserstoff wird an der Anode in Protonen und Elektronen aufgespalten. Die Protonen wandern durch die Membran zur Kathode, während die Elektronen diesem Transportprozess über einen externen Stromkreis folgen, wodurch ein elektrischer Stromfluss entsteht. An der Kathode reagieren die Protonen und Elektronen mit dem zugeführten Luftsauerstoff. Als Nebenprodukte entstehen bei dieser Reaktion Wasser und Wärme. Da eine einzelne Brennstoffzelle nur eine geringe Menge elektrische Leistung produziert, werden mehrere Einzelzellen zu einem sogenannten Brennstoffzellen-Stack (Stapel) zusammengefasst, um das für technische Anwendungen erforderliche Leistungsniveau zu erreichen. Für den Betrieb eines solchen Brennstoffzellen- Stacks werden die folgenden Teilsysteme benötigt: > Wasserstoffversorgung > Luftversorgung > Kühlsystem > Leistungselektronik Die Gesamtheit aus PEM-Brennstoffzellen-Stack und den benötigten Teilsystemen wird als PEM-Brennstoffzellensystem bezeichnet. Die Betriebstemperatur dieser Systeme kann mit der herkömmlicher Verbrennungsmotoren verglichen werden, wodurch die Systemkomplexität reduziert wird und kompakte Bau- Schmierstoff + Schmierung · 6. Jahrgang · 2/ 2025 26 Fachartikel | Brennstoffzellen verstehen formen realisiert werden können. Daraus resultieren die hohen Leistungsdichten dieses Systemtyps. Zudem kann diese Art von Brennstoffzellensystemen dynamisch betrieben werden und verfügt über gute Kaltstartfähigkeiten. Aufgrund dieser Eigenschaften werden PEM-Brennstoffzellensysteme vor allem in Kraftfahrzeugen und portablen Energieerzeugungssystemen eingesetzt. Die breite Marktdurchdringung von PEM-Brennstoffzellensystemen wird aktuell noch durch verschiedene wirtschaftliche und technische Herausforderungen begrenzt. Diese betreffen insbesondere die aktuell noch hohen Herstellungskosten sowie Leistungsfähigkeit und Lebensdauer. Um die Konkurrenzfähigkeit von PEM-Brennstoffzellensystemen zu steigern, sind weitere Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen erforderlich. Aus diesem Grund hat der HZwo e. V. gemeinsam mit dem Institut Chemnitzer Maschinen- und Anlagenbau e. V. (ICM) eine speziell für Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten vorgesehene Open-Source-Plattform für PEM-Brennstoffzellensysteme entwickelt. Diese Plattform eignet sich hervorragend für die Öffentlichkeitsarbeit und bietet vielfältige Testmöglichkeiten, einschließlich Materialforschung, Komponententests und Betriebsstrategien. Weiterhin kann die Plattform für Schulungen und Weiterbildungen genutzt werden. Für den zuverlässigen Betrieb moderner PEM- Brennstoffzellensysteme sind neben der Systemarchitektur auch speziell formulierte technische Flüssigkeiten und Schmierstoffe unerlässlich. Dazu zählen unter anderem elektrisch nicht-leitende Kühlmedien mit hoher thermischer Stabilität, schmieraktive Pasten und Gleitlacke mit minimaler Ausgasung sowie medienbeständige Fette und Dichtungsverträglichkeitslösungen. Sie kommen in Teilsystemen wie Wasserstoff- und Luftversorgung, Wärmemanagement oder Leistungselektronik zum Einsatz und tragen wesentlich zur Effizienz, Betriebssicherheit und Langlebigkeit der Gesamtsysteme bei. Über das ICM e. V. Das Institut Chemnitzer Maschinen- und Anlagenbau e. V. (ICM) ist ein gemeinnütziges, anwendungsorientiertes Forschungsinstitut mit Sitz in Chemnitz. Seit 1992 unterstützt es insbesondere kleine und mittlere Unternehmen bei der Entwicklung und Umsetzung innovativer Technologien und Systemlösungen im Maschinen- und Anlagenbau. Mit einem interdisziplinären Team von rund 80 Mitarbeitenden arbeitet das ICM in den Bereichen Produktionstechnik, Ressourceneffizienz, neue Mobilität, Mensch-Technik-Systeme sowie Informations- und Kommunikationstechnologien. Im Bereich der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie engagiert sich das ICM unter anderem mit der Entwicklung von Experimentalplattformen wie dem Open-Source-Fahrzeug OSCar, das Unternehmen als Testumgebung für eigene Komponenten nutzen können. »« Eingangsabbildung: © Creator88 - stock.adobe.com Abb. 1: Open-Source-Brennstoffzellensystem des ICM e. V. Allgemeine Daten Nennleistung 8,0 kW (12,5 kW verfügbar ab 2026) Strombereich 150-380 A Spannungsbereich 43-60 V Masse < 100 kg Bauvolumen 0,251 m 3 Wasserstoffversorgung Wasserstoffqualität Wasserstoff 3.0 Wasserstoffverbrauch 0,06-1,12 kg/ h Betriebsdruck 1,3-2,7 bar Zulässiger Eingangsdruck 9-40 bar Luftversorgung Luftmassenstrom 5,19 kg/ h-58,78 kg/ h Betriebsdruck Luft 1,1-2,5 bar Kühlsystem Kühlmittel Ethylenglycol/ DI-Wasser-Gemisch (48/ 52) Kühlmitteldurchfluss 5,60-37,30 L/ min Betriebsdruck Kühlmittel 1,0-2,5 bar Betriebstemperatur -30-95 °C Umgebungstemperatur -30-40 °C
