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Brennstoffzellen und Antriebe

Während sich die Anwendung von Wasserstoff in Verbrennungsmotoren noch im Prototypenstadium befindet, ist die Brennstoffzelle für Fahrzeugantriebe bereits ausgereift und im Realeinsatz demonstriert worden.

Brennstoffzellen müssen auf EU-Ebene den Ansprüchen der ATEX genügen, die auf nationaler Ebene durch die Explosionsschutzverordnung (11. Produktsicherheitsverordnung) umgesetzt wird. Zudem ist die Druckgeräteverordnung relevant (14. ProdSV auf nationaler Ebene, 2014/68/EU auf europäischer Ebene). Auch die Niederspannungsrichtlinie und die Richtlinie über allgemeine Produktsicherheit sind von Bedeutung. Die Richtlinien werden in Deutschland durch das ProdSG bzw. die 1. ProdSV erfüllt. Durch das ProdSG und die 9. ProdSV werden die Anforderungen der Maschinenrichtlinie in Deutschland implementiert. In Brennstoffzellen verwendete Materialien unterliegen der Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) bzw. der europäischen Chemikalienverordnung (REACH).

Um eine Schädigung von Brennstoffzellen zu vermeiden, ist eine angemessene Wasserstoffqualität von Bedeutung. Weitere Informationen erhalten sie unter unseren Seiten zur Qualität und Odorierung.

Brennstoffzellentypen

Derzeit gibt es fünf besonders wichtige Brennstoffzellentypen. Die Alkalische Brennstoffzelle (AFC) ist der älteste Brennstoffzellentyp und fand in den 1960er Jahren ihre ersten Anwendungen in der Raumfahrt. Sie gehört zu den Niedertemperaturbrennstoffzellen.

Ebenfalls zu den Niedertemperaturbrennstoffzellen gehört die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC). Sie übertrifft die AFC meist in Bezug auf die Leistung und die Dauerhaltbarkeit. Zudem findet die PEMFC heutzutage mit Abstand die weiteste Verwendung. Ihre Anwendungsbereiche sind hauptsächlich in der Mobilität wiederzufinden.

Im Gegensatz dazu wird die Phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC) in großen Stationären Anwendungen und in Kleinkraftwerken verwendet. Sie gehört zu den Mitteltemperaturbrennstoffzellen, wodurch ihr Gesamtwirkungsgrad in Kombination mit einer Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) 80% erreichen kann.

Zu den Hochtemperaturbrennstoffzellen gehören die Schmelzkarbonat Brennstoffzelle (MCFC) und die Oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC). Die MCFC benötigt viel Platz und wird deshalb in geringen Stückzahlen im Kraftwerksbereich eingesetzt. Durch einen nachgeschalteten Wärmekraftprozess kann die MCFC Wirkungsgrade bis zu 85% erreichen Die SOFC nutz im Gegensatz zu anderen Brennstoffzellen einen festen Werkstoff. Sie kann ebenfalls einen Gesamtwirkungsgrad (inkl. KWK) von 85% vorweisen und hat sich in den letzten Jahren aufgrund ihrer geringen Investitionskosten und hohen Lebensdauer zum zweitwichtigsten Brennstoffzellentyp entwickelt.

Für die Nutzung einer Brennstoffzelle im Rahmen einer Kraft-Wärme -Kopplung ist die DIN EN 50465: „Gasgeräte – Geräte zur Kraft-Wärme-Kopplung mit einer Nennwärmebelastung kleiner oder gleich 70 kW“ relevant. Die DIN EN 50465 legt die Anforderungen für den Bau, die Sicherheit, die Gebrauchstauglichkeit, den rationellen Energieeinsatz und die Kennzeichnung von Mikroanlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung fest.

Relevante Normen

Die DIN EC 62282-x-xxx (International: IEC 62282) Normungsreihe ist eine bedeutende Reihe an Normen mit dem Titel „Brennstoffzellentechnologien“. Diese wurde im IEC/TC 105 erarbeitet und wird kontinuierlich überarbeitet.

Die einzelnen Teile der Reihe behandeln unterschiedliche Themen:

DIN EN 62282-1-xxx – Reihe: Begriffe

DIN EN 62282-2-xxx – Reihe: Brennstoffzellenmodule

DIN EN 62282-3-xxx – Reihe: Stationäre Brennstoffzellen-Energiesysteme

DIN EN 62282-4-xxx- – Reihe: Antriebe mit Brennstoffzellen

DIN EN 62282-5-xxx – Reihe: Portable Brennstoffzellen

DIN EN 62282-6-xxx – Reihe: Mikro-Brennstoffzellen-Energiesysteme

DIN EN 62282-7-xxx – Reihe: Prüfverfahren

DIN EN 62282-8-xxx – Reihe: Energiespeichersysteme mit Brennstoffzellenmodulen im reversiblen Antrieb.

Alle Unterbereiche der Normungsreihe besitzen je nach Bedarf weitere spezifische Themen. Nennenswert ist beispielsweise die DIN EN 62282-x-100, welche Aspekte der Sicherheit festlegt. Die weitere Nummerierung ist weniger einheitlich. Beispielsweise behandeln die DIN EN 62282-3-200 und die DIN EN 62282-6-200 Leistungskennwerteprüfverfahren. In der DIN EN 62282-4-xxx Reihe werden die Leistungskennwerteprüfverfahren allerdings in der DIN EN 62282-4-102 oder in der DIN EN 62282-4-202 festgelegt.

Mobile- und Stationäre Brennstoffzelle

Für mobile/portable Brennstoffzellen-Energiesysteme gilt die DIN EN 62282-5 Reihe. Sie beinhaltet bisher nur die DIN EN 62282-5-100, welche Aspekte rund um die Sicherheit von mobilen Brennstoffzellen regelt. Aus regulatorischer Sicht fallen mobile Brennstoffzellen unter die Anforderungen der Ortsbeweglichen Druckgeräteverordnung (ODV). Im Rahmen der Wasserstoff-Normungsroadmap 2024 wurde ein Sicherheitsstandard, welcher für alle mobilen Anwendungen Gültigkeit aufweist, als Bedarf identifiziert. Dies würde eine kleinteilige Normenlandschaft in diesem Bereich vorbeugen. Dieser allgemeine Standard könnte als Grundlage für die spezifischen Sicherheitsnormen der einzelnen Anwendungstypen genutzt werden.

Die DIN EN 62282-3-xxx normt verschiedene Aspekte stationärer Brennstoffzellen. Beispielweise beschreibt die DIN EN 62282-3-100 sicherheitstechnische Aspekte, die DIN EN 62282-3-200 Leistungskennwerteprüfverfahren oder die DIN EN  62282-3-300 die Installation von Brennstoffzellen.

H2-Verbrennungsmotor

Als Brückentechnologie bis zum Hochlauf von Brennstoffzellenfahrzeuge sollen Fahrzeuge mit H2-Verbrennungsantrieb (H-ICE – Hydrogen Internal Combustion Engine) dienen. Dabei werden bestehende Lieferketten genutzt, um möglichst schnell Wasserstofffahrzeuge auf die Straße zu bekommen. Im Vergleich zur Brennstoffzelle ist dieser Antrieb jedoch weniger effizient, stößt Stickoxide aus, benötigt zusätzliche Komponenten wie das Getriebe, und verursacht mehr Lärm.

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