Brennstoffzellen

Brennstoffzellen – So funktionieren sie

Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff zusammen mit (Luft-)Sauerstoff in Strom, Wärme und Wasser um.

Sie können je nach Brennstoffzellentyp entweder mit Wasserstoff oder mit kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen wie Methanol, Erdgas, Benzin oder Diesel betrieben werden.

Materialien zum Thema Brennstoffzellen

Unsere Expert*innen für Brennstoffzellen

PEMFC-Brennstoffzellen

PEMFC-Brennstoffzellen (ZSW)

PEMFC-Brennstoffzellen ©ZSW

Die Rolle von Brennstoffzellen für das Energiesystem

Brennstoffzellen können die Effizienz des Energiesystems deutlich steigern und zu den Emissionsreduktionszielen beitragen. Sie bieten emissionsfreie, individuelle und öffentliche Mobilität mit ähnlichen Möglichkeiten wie konventionelle Antriebe.

Pluspunkte für Brennstoffzellen

  • Brennstoffzellen erreichen bei besonders niedrigen Schadstoffemissionen besonders hohe elektrische Wirkungsgrade und einen hohen Gesamtnutzungsgrad bei gleichzeitiger Wärmenutzung
  • Sie sind sowohl für die dezentrale Strom-Wärme­ Versorgung als auch für den Antrieb von Elektrofahr-zeugen geeignet. Hier sind erhebliche Brennstoffeinsparungen und Leistungserhöhungen möglich
  • Schon der Brennstoffzellenbetrieb auf Basis fossiler Energiequellen bringt eine erhebliche CO2-Einsparung und damit eine Entlastung des Klimasystems. In Verbindung mit erneuerbaren Brennstoffen ist eine CO2-neutrale Stromerzeugung möglich

Potenziale von Brennstoffzellen

  • Bis 2050 wird die Mobilität mit Brennstoffzellen einen signifikanten Anteil erreicht haben und spürbar zur Reduktion der Verkehrsemissionen beitragen
  • Bereits jetzt halten Brennstoffzellen Einzug in die Hausenergieversorgung. Durch ihren hohen Gesamtwirkungsgrad dank Kraft-Wärme-Kopplung werden sie vor allem im Gebäudebestand dazu beitragen, die Emissionen zu senken. Allein in Japan wurden mehr als 120.000 Hausenergiesysteme verkauft, womit dort die Schwelle zur Kommerzialisierung schon geschafft wurde
  • Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) hat für kleine Stromversorgungen bereits die Schwelle zur Kommerzialisierung überschritten. Weit mehr als 33.000 Systeme haben als netzunabhängige Stromversorgung z. B. für Wohnmobile und Yachten den Einzug in den Alltag gefunden
  • Aus den Feldversuchen resultieren viele Erkenntnisse über den Alltagsbetrieb, die in die Entwicklung der Produkte der nächsten Generation einfließen. Hinzu kommt die Entwicklung kostengünstiger Lösungen, sowohl bei den Kernkomponenten (Membran, Katalysatoren, Bipolarplatten) als auch bei den peripheren Komponenten (Pumpen, Ventile, Sensoren).eistelligen GW-Bereich und ein jährliches Austauschvolumen von über 5 GW. Weltweit kopieren zahlreiche Länder die erfolgreiche deutsche Markteinführung, und an vielen netzfernen Einsatzorten ersetzt der PV-Strom den Strom aus Dieselgeneratoren­ schon aus ökonomischen Gründen
PEFC Brennstoffzellen-Stack

Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (FZ Jülich)

PEFC Brennstoffzellen-Stack ©FZ Jülich

Forschungs- und Entwicklungsbedarf für Brennstoffzellen

Zur Begleitung der Markteinführung von Brennstoffzellen und der Entwicklung der nächsten Produkt­ generation sind weitere, umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen erforderlich.

  • kompakte Niedertemperatur-Brennstoffzellen ­(Polymer Elektrolyte Fuel Cells = PEFC)
  • Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) und Molten ­Carbonate Fuel Cells (MCFC) für unterschiedliche Brennstoffe
  • Direkt-Kohlenstoff-Brennstoffzelle, die reines CO2 als Verbrennungsprodukt liefert
  • „reversible” Brennstoffzellen/Elektrolyseur-Systeme
  • biologische Brennstoffzellen, insbesondere mikrobielle Brennstoffzellen
  • Kostenreduktion durch neue Werkstoffe, Katalysatoren und Membranen sowie durch neue serientauglicher Fertigungsprozesse
  • leistungsfähigere und genauere, technisch-mathematische Modelle, die skalenübergreifend sind und durch Beschreibung thermodynamischer, elektro-chemischer sowie Massentransport-Phänomene (Stoff- und Wärmetransport, Stromübergänge sowie Zweiphasenströmungen) zur Designoptimierung auf Zell- und Stack-Ebene und zur Prädiktion von Leistungsfähigkeit und Dauerhaltbarkeit dienen
  • Steigerung von Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Wirkungsgrad der Systeme
  • Verlängerung der Lebensdauer von Brennstoffzellen durch Aufklärung der Degradationsmechanismen und Alterungseffekte mittels verbesserter Zeitraffertests (AST: Accelerated Stress Tests) in Abhängigkeit neuer Materialien, Betriebsstrategien und Kontrollsysteme
  • innovativen Diagnose- und Untersuchungsmethoden mit Reparaturstrategien für Brennstoffzellen
  • neue, korrosionsbeständige Katalysatoren und Elektrodenstrukturen­ für die PEFC und reformatverträgliche Katalysatoren und Elektrodenstrukturen für die HT-PEFC
  • Fertigungstechnologien für PEFC-Komponenten und Stacks
  • kostengünstige Reformierungstechniken (z. B. von Erdgas, Methanol, Diesel)
  • Brennstoffzellen-Systemtechnik; insbesondere Stromrichtertechnik, Fernzustandsdiagnose und Fehlerprognose sowie optimierte Netzintegration
  • Regelungsstrategien für Brennstoffzellen in Hybridsystemen
  • Pilotanlagen mit Mittel- und Hochtemperatur-Brennstoffzellen (MCFC, SOFC) in Kraft-Wärme-Kopplung zur Erforschung des technischen Verhaltens dieser Systeme
  • innovative Systeme wie z. B. Hybridkraftwerke mit Kopplung von Mikrogasturbine und Brennstoffzelle
  • multifunktionale Brennstoffzellensysteme zur Brandbekämpfung­ und Wassergewinnung für die zivile Luftfahrt

Aktuelle Materialien

Hier sehen Sie einzelne Artikel zum Thema „Brennstoffzellen“. Eine komplette Übersicht über alle Publikationen finden Sie im Publikationsbereich.

Artikel aus "Themenhefte"

Themen 2021: Mit Wasserstoff zur Klimaneutralität – von der Forschung in die Anwendung

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Wasserstoff kann einen entscheidenden Beitrag für die dringend notwendige Klimaneutralität des Energiesystems leisten. Grüner Wasserstoff auf Basis von erneuerbaren Energien…

Grüner Wasserstoff als Schlüsseltechnologie für die europäische Energiewende

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Themen 2014: Forschung für die Energiewende – Phasenübergänge aktiv gestalten

Brennstoffzellen
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Das Energiesystem durchläuft auf seinem Weg zu einer nachhaltigen Versorgung verschiedene Phasen und verändert sich dabei in seinen technischen, ökonomischen…

Der Weg zur Mobilität der Zukunft

Brennstoffzellen

Elektromobilität mit Brennstoffzellen und Batterien

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Artikel aus "Programmbroschüren"

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Forschungsziele 2019

Brennstoffzellen
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Diese Broschüre informiert über die Forschungsthemen im FVEE zu: Energiebereitstellung Systemkomponenten Energienutzung Energiesystemgestaltung Außerdem finden Sie hier die Ziele des…

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Expert*innen

DLR

Prof. Dr. Kaspar Andreas Friedrich

DLR
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Linder Höhe, 51147 Köln
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Fraunhofer ISE

Dr. Christopher Hebling

Fraunhofer ISE
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE)
Heidenhofstr. 2, 79110 Freiburg
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Fraunhofer ISE

Ulf Groos

Brennstoffzellensysteme
Fraunhofer ISE
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE)
Heidenhofstr. 2, 79110 Freiburg
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IZES

Dr. Bodo Groß

IZES
Institut für ZukunftsEnergie- und Stoffstromsysteme gGmbH
Altenkesseler Straße 17, Geb. A1, 66115 Saarbrücken
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Jülich

Prof. Dr.-Ing. Detlef Stolten

Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
Wilhelm-Johnen-Straße, 52428 Jülich
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Jülich

Prof. Dr. Rüdiger-A. Eichel

Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
Wilhelm-Johnen-Straße, 52428 Jülich
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Jülich

Prof. Dr. Olivier Guillon

Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
Wilhelm-Johnen-Straße, 52428 Jülich
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Jülich

Prof. Dr.-Ing. Ralf Peters

Zukünftige Kraftstoffe
Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
Wilhelm-Johnen-Straße, 52428 Jülich
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Jülich

Dr.-Ing. Martin Müller

Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
Wilhelm-Johnen-Straße, 52428 Jülich
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KIT

Prof. Dr. Ellen Ivers-Tiffée

elektrochemische Charakterisierung und Modellierung
KIT
Karlsruher Institut für Technologie
Kaiserstraße 12, 76131 Karlsruhe
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KIT

Dr. André Weber

KIT
Karlsruher Institut für Technologie
Kaiserstraße 12, 76131 Karlsruhe
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Wuppertal Institut

Dr. Peter Viebahn

ökonomische und ökologische Bewertung Solarthermie; Systemanalyse
Wuppertal Institut
Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie gGmbH
Döppersberg 19, 42103 Wuppertal
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ZAE Bayern

Dr. Matthias Rzepka

ZAE Bayern
Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.
Magdalene-Schoch-Straße 3, 97074 Würzburg
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ZSW

Dr. Ludwig Jörissen

ZSW
Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg
Meitnerstraße 1, 70563 Stuttgart
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