Materialmengen

Für den Einsatz in Kraftfahrzeugen kommen nur Brennstoffzellen in Frage, die mit Luft statt reinem Sauerstoff betrieben werden. Eine zusätzliche Betankung von Straßenfahrzeugen mit Sauerstoff scheint nicht durchsetzbar und unter wirtschaftlich wie ökologischen Gesichtspunkten auch nicht sinnvoll.

In Literatur wird die Leistung von solchen Brennstoffzellen mit 0,5 bis 1W/cm2 Membranfläche angegeben.

Während in der Vergangenheit ein Edelmetall-Bedarf von 1g pro 1kW elektrischer Leistung angenommen wurde, konnte der Verbrauch bereits erheblich reduziert werden. Schon aus wirtschaftlichen Gründen wird eine Reduzierung des Bedarfs an PGM von allen Herstellern angestrebt. Nach Angaben des Forschungszentrums Jülich sollte ein Bedarf von 0,13g pro kW Spitzenleistung für zukünftige Brennstoffzellen angesetzt werden. [Jülich 2001]

Zur Masse und zur Zusammensetzung der Gasdiffusions-Elektroden sind keine Angaben verfügbar. Ihre Funktion kann u.U. auch von den Bipolarplatten mit übernommen werden. Es wird hier davon ausgegangen, dass sie auf die Gesamtbilanz keine große Auswirkung haben.

Nach Literaturangaben haben einzelne Zellen eine Dicke von 3 bis 5 Millimetern. Da die Membran nur 0,1 mm dick ist, kann diese Materialstärke zum größten Teil den Bipolarplatten zugerechnet werden. Es ist davon auszugehen, dass die Hersteller aus Platz- und Gewichtsgründen möglichst geringe Wandstärken anstreben. Bei der Berechnung der Masse ist zu berücksichtigen, dass die Bipolarplatten mit eingelassenen Kanälen für Gase und Kühlmittel versehen sind.

Die spezifische Leistung von kompletten PEM-Stacks, zu denen neben den Membran-Elektroden-Einheiten auch Nebenaggregate, Versorgungsleitungen und Regeleinrichtungen gehören, wird vom Forschungszentrum Jülich mit 0,35kW/kg für heutige Zellen und mit 0,5kW/kg für zukünftige Systeme im Jahre 2004 angegeben. Die Leistungsdichte wird mit 0,35kW/l (0,5kW/l für 2004) angegeben.[Jülich-2001]

Nach Angaben von DaimlerChrysler liefert im Versuchsfahrzeug NECAR 5 ein einzelner Stack eine elektrische Leistung von 75kW. Das Aggregat hat danach inklusive Sensoren, Elektronik und anderer Komponenten die Abmessungen von 80 mal 40 mal 25 Zentimetern. Dies entspricht bei einem Volumen von 80 Litern einer Leistungsdichte von etwa 0,94kW/l. Damit wäre die vom Forschungszentrum Jülich für das Jahr 2004 für möglich gehaltene Leistungsdichte bereits heute um fast das Doppelte übertroffen. Beim NECAR 5 wurden dabei, nach Angaben des Herstellers, bereits kostengünstige Werkstoffe eingesetzt.

Die unerwartet hohe Steigerung der Leistungsdichte läßt vermuten, dass auch andere Zielwerte, wie z.B. die Reduzierung des Edelmetallbedarfs, bereits erreicht oder überschritten sind, auch wenn hierzu keine Daten vom Hersteller verfügbar sind.

Für eine in naher Zukunft produzierte Brennstoffzelle mit einer elektrischen Leistung von 75kW, einem fluorierten Kohlenwasserstoff als Membran-Material und Bipolarplatten aus grafitbeschichtetem Metall scheinen damit die in Tabelle 1 aufgeführten Werte realistisch. Die Daten der Tabelle beruhen zwar zum großen Teil auf Annahmen, orientieren sich aber, soweit Informationen verfügbar sind, an bereits existierenden Systemen. Die Angaben der Tabelle sind damit eine vorsichtige Schätzung und sollen nur als Beispiel zur Illustration dienen.

Gesamtleistung:

75 kW

Leistungsdichte der Membran:

1 W/cm2

Membranfläche, gesamt:

75.000 cm2 (0,75m2)

Spez. Edelmetall-Bedarf

0,1 g/kWel

Spezifische Leistung:

0,8 kW/kg

Leistungsdichte:

1 kW/l

Stack-Gewicht:

94 kg

Stack-Volumen:

75 Liter

Fluorierte Kohlenwasserstoffe:

750 cm3 (0,7 kg)

Grafit:

30.000 cm3 (50 kg)

PGM:

7,5 g

Andere Metalle (z.B. Stahl, Aluminium):

43kg

Tabelle 1 Aus heutiger Sicht erwartbare Konstruktionswerte einer zukünftigen Brennstoffzelle



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