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Wertschöpfungspotenzialedurch WasserstoffBrennstoffzellen in Zahlen und Fakten

Forschung Anwendung TransferDie sächsische Kompetenzstelle für Brennstoffzellen und Wasserstofftechnologie: Technologische Beratung Gezielte Fördermittelakquise Initiierung und Koordinierung von Forschungs-,Transfer- und Anwendungsprojekten Planung und Durchführung von Technologieworkshops, Seminaren,Fachkonferenzen und Netzwerktreffen

iElektromobilität umfassteine Fülle neuartiger undinnovativer Antriebs tech nologien in vielenAnwendungsfeldern. DieBrennstoffzellentechnolo gie mit Wasserstoff zähltdazu und erfüllt die mo dernen Mobilitätsansprü che nach niedrigen Emissionen und höchstem Komfort.Ausgehend von den heutigen automobilen Wertschöp fungsketten bietet diese Technologie ausgezeichneteMöglichkeiten, nicht nur bestehende Zuliefererkettenzu erhalten, sondern auch neue Industriezweige zuetablieren. Wir freuen uns darauf, gemeinsam mitIhnen die technologischen Herausforderungen diesesWandels anzugehen und zu meistern.Prof. Dr. Ing. Thomas von Unwerth,Leiter Institut für Automobilforschung, TU Chemnitz,Vorstandsvorsitzender HZwo e. V.Elektrische Antriebe fürdie Mobilität von morgennutzen – das ist gesell schaftlicher Konsens undfür den Klimaschutz un umgänglich. Dafür müs sen wir auf Wasserstoff alsEnergieträger setzen. BeiFraunhofer entwickeln wirdaher moderne Fertigungstechnologien für Brennstoff zellen. Ihre Produktion und Verwendung muss wirt schaftlich und nachhaltig sein. Wir verfolgen einenganzheitlichen Ansatz und berücksichtigen auch dieHerstellungs , Transport und Infrastrukturprozesse vonWasserstoff. Sie sind entscheidend für Verkehrs konzepte, die auf Brennstoffzellen setzen. So könnenwir die Mobilität von morgen gestalten.Foto: Fraunhofer IWUFoto: Klaus JedlickaVorworteDie Brennstoffzellen technologie ist keineErfindung des 21. Jahrhun derts. Erste Brennstoffzellensind bereits 1963 an Bordeines Satelliten und für dieGemini und Apollo Raum kapseln eingesetzt worden.Auch erste Fahrzeugprototy pen wurden schon in den1960er Jahren aufgebaut.Prof. Dr. Ing. Welf Guntram Drossel,Geschäftsführender Institutsleiter Fraunhofer IWU,erster stellvertretender VorstandsvorsitzenderHZwo e. V. 3 w w w .h z w o.eu

Warum Wasserstoff ?Schadstofffreiheit im Verkehrs-,Energie- und Wärmesektor steigernWasserstoff ist ein kohlenstofffreierEnergieträgerUnabhängigkeit von Erdöl, Erdgasund Kohle steigernWasserstoff ist aus allen EnergiequellenherstellbarAnteil erneuerbarer EnergiensteigernWasserstoff ist der Speicherfür erneuerbare EnergienSektorkopplung mit erneuerbarer Energieumsetzeni H1Strom, Wärme, Industrie und Mobilitätkönnen mit Wasserstoff versorgt werden1Hydrogen1.008 häufigstes Elementim Universum kleinster Atom Durchmesser ungiftiges, geruch und farbloses Gas geringste Dichte(0,0899 kg/m3) in Reinform nicht entzündbar Heizwert: 33,33 kWh/kgbzw. 120 MJ/kgFakten:1 kg Wasserstoff für100 km PKW Reichweite(5 7 kg Wasserstoffbeträgt die Tankkapazitäteines Brennstoffzellen fahrzeuges, d. h. dieReichweite beträgt500 700 km)3 5 Minuten tanken –nahezu 100 % Tankinhalt 4 Betankungsprozessweltweit genormt durchRichtlinie SAE J 2601

Funktion der PEM-BrennstoffzelleiDie erzeugte Abwär me von Brennstoff zellen wird zum Heizen undKlimatisieren genutzt. Nichtnur in Fahrzeugen ist dies vonVorteil, Brennstoffzellen kom men hierdurch auch zur emis sionsfreien Gebäudeenergie versorgung und als BHKW zumEinsatz.Reaktion in der ZelleWasserstoff und Sauer stoff (aus der Umge bungsluft) reagieren zuWasser. Die chemischeEnergie der Reaktandenwird hierbei in nutzbareelektrische Energie undAbwärme gewandelt.Gasdiffusions lageBipolarplatteder Anode 5 Gasdiffusions lagePolymerelektrolyt membran mitElektrodenBipolarplatteder Kathodewww.hzwo.eu

WertschöpfungsnetzwerkProfitierende Branchen von A bis ZAufbau und Erhalt von Wertschöpfung sind die zentra le Zielstellung des Innovationsclusters HZwo. Brenn stoffzellen für mobile Anwendungen und auch statio näre Systeme bestehen aus einer Vielzahl von Kompo nenten und Teilsystemen.Davon profitieren sächsische Schlüsselbranchen, wiedie Zuliefer und Fahrzeugindustrie, der Maschinen und Werkzeugbau, Elektronik und Energiespezialistensowie neue Systemhersteller.Durch das Zusammenspiel von vielen Teilsystemen undunterschiedlichen Wirtschaftsbereichen bilden sichneue Wertschöpfungsnetzwerke.iGrüner Wasserstoffkann weltweit mittelserneuerbarer Energie erzeugtund im bestehenden Gasnetzgespeichert und transportiertwerden. Dieser Wasserstoffwird auch zur emissionsfreienStahlerzeugung, Wärmeversor gung und in der Chemieindus trie benötigt.Im Innovationscluster HZwo werden diese gezieltmiteinander verzahnt, um Sachsen zum führendenTechnologiestandort für Brennstoffzellen und Wasser stoff in Deutschland und Europa voranzubringen. 6 Additive hnikFügetechnikH2 ikWärmetauscherWerkzeugbauZahnrad & Getriebetechnik

HalbzeugeKomponentenBaugruppen 7 SystemeAnwendungw w w .h z w o.eu

VerbrennungskraftmaschineHauptkomponenten der Antriebssysteme im VergleichiDer Aufbau und dieKomponenten einesAntriebssystems mit Verbren nungskraftmaschine und einesBrennstoffzellenantriebs sindsehr ähnlich. Beiden Systemenmuss jeweils ein Brenn bzw.Reaktionsmedium sowie Um gebungsluft zugeführt werden.Hierfür werden Pumpen undVerdichter benötigt. Zudemgibt es bei beiden TechnologienKühlkreisläufe, verfahrenstech nische Komponenten, wie Sen soren für Druck und Tempera tur sowie Filter, Ventile undRegler. 8

Brennstoffzellenantrieb 9 w w w .h z w o.eu

tionBedarfPolymerelektrolytmembran Protonen leiten Barriere für Elektronen Separierung der Reaktionsseiten37,50 Mio Stk.1.237.500 m²Elektroden Reaktionsprozessedurch Katalysatorschicht begünstigen Aufspaltung Wasserstoff (Anode) Aufspaltung Sauerstoffund Reaktion zu Wasser (Kathode)75,00 Mio Stk.2.250.000 m²Gasdiffusionslage elektrische Kontaktierung zwischenMembran und Bipolarplatte Reaktanden verteilen (Zu und Abführung) Wassermanagement (Kathode)75,00 Mio Stk.2.250.000 m²Subgasket Rahmen elektrische Isolation der Reaktionsseiten mechanische Stabilisierungder Polymerelektrolytmembran75,00 Mio Stk.3.150.000 m²Dichtungen Dichtheit der Medien untereinanderund zur Umgebung gewährleisten teilweise elektrische Isolation75,00 Mio Stk.96.000 kmBipolarplatten 37,60 Mio Stk.3.760.000 m²Subgasket embranElektrodeGasdiffusionslageSubgasket RahmenDichtungBipolarplatteiDie Baugruppe ausMembran, Elektroden,Gasdiffusionslagen und Sub gasket Rahmen wird Membran Elektroden Einheitgenannt(Englisch „MEA“).Medien verteilenElektronen leitenmechanische Stabilisierung der EinzelzelleWärme ableiteneine Bipolarplatte zwei Halbplatten(d. h. 75,20 Mio Stk.)für 100.000 Fahrzeuge** Systemleistung 100 kWel, Aktivfläche 300 cm², Aktiv /Passivfläche 60 %,Stromdichte 1,5 A/cm² bei Zellspannung 0,6 Vw 10

merplatte vollflächige Kontaktierung zurobersten und untersten Bipolarplatte elektrischer Anschluss (bspw. Kabel)200.000 Stk.9.240 m² elektrische Isolation zu den Endplatten Druckverteilung Schnittstellenfunktionen200.000 Stk.9.240 m²Zuganker homogene Kraftverteilung auf dieverspannten Stackkomponenten Kraftaufnahme vom Verspannsystem200.000 Stk.10.080 m²DichtungenIsolierungEndplattenfür 100.000 Fahrzeuge*FedersystemeMedienanschlüsse Schnittstellen für weitere600.000 Stk.Anschlusskomponenten (bspw. Verrohrung) Gasdichtheit für jeweilige MedienDichtungen Dichtheit der Medien untereinanderund zur Umgebung gewährleisten teilweise elektrische Isolation900.000 Stk.ZugankeroderSpannbänder Vorspannkraft auf Endplatten desStacks übertragen Stabilität des Stacks erhöhen600.000 Stk.oder300.000 Stk.Federsystem definierte Vorspannkraft erzeugen hinreichenden Federweg für dynamischeDehnungseffekte gewährleisten z. B. Federpaket aus 9 Tellerfedernentspricht 5,4 Mio Stk.600.000 Stk. 11 MedienanschlüsseEndplattenmit lzellen in Reihegestapelt StackDichtungStromabnehmerplatteEndplatte mit Isolierungwww.hzwo.eu

SystemkomponentenTemperatur Brennstoffzellen stackundDrucksensoren(Anode undKathode)Deionisierungs filterKühlmittel pumpeManifold modulWasser abscheiderWasserstoff Überdruck ventilLuftfilterLuftverdichterWasserstoff filterWasserstoff Rezirkula tionspumpeSchläuche,Verrohrungund Medien anschlüsseWasserstoffseite pumpe unverbrauchten Wasserstoff rezirkulieren(vom Anodenauslass zum Anodeneinlass) Druckdifferenzen ausgleichen Durchfluss gewährleistenWasserabscheider Entfeuchtung des Gasgemisches am Anodenauslass Speicherung und Abführung des ausgetragenen WassersDruckregelventil Wasserstoffdosierung Regelung Differenzdruck zwischen Anoden und KathodenseiteÜberdruckventil Absicherung gegen Druckspitzen im Anodenkreislauf öffnet bei definiertem Überdruck und verhindertso Schädigung im StackDruck- undTemperatursensorik Temperatur und Druckerfassung je nach Systemstruktur meist mehrere Sensoren imAnodenkreislauf integriert (für Temperatur und Druckregelung über Stack)Wasserstofffilter filtert den zugeführten Wasserstoff vor Eintrittin den BrennstoffzellenstackWasserstoffsensor detektiert Wasserstoff Leckage und verhindert so die Bildungeines zündfähigen Gasgemisches im SystemaufbauWasserstoffverrohrungund -anschlusssysteme Verbindung der Systemkomponenten im Anodenkreislauf Dichtheit der medienführenden Systeme 12

Sauerstoffseite ionLüfter oderLuftverdichter Zuführung von Luftsauerstoff in den Stack notwendigen Vordruck erzeugen Durchfluss gewährleistenKühlmittelpumpe Fördern des Kühlmittels im Kühlkreislauf notwendigen Vordruck erzeugen Durchfluss gewährleistenLuftfilter filtert zugeführte Luftvor Eintritt in den BrennstoffzellenstackDeionisierungsfilter bindet Ionen aus dem Kühlmittel,um Leitfähigkeit zu minimierenDruck- undTemperatursensorik Temperatur und Druckerfassung je nach Systemstruktur meist mehrereSensoren im Kathodenkreislauf integriert(für Temperatur und Druckregelungüber Stack)Druck- undTemperatursensorik Temperatur und Druckerfassung je nach Systemstruktur meist mehrereSensoren im Kühlkreislauf integriertKühlmittelausgleichsbehälter Reservoir an Kühlmittel zur Gewährleistungeiner funktionssicheren Medienzuführung Entlüftung des KühlkreislaufesRegelventile Kühlmitteldurchsatz und Temperatur regeln Gemischbildung und FiltrationszweigeinstellenKühlmittelschläuche Verbindung der Systemkomponentenim Kühlkreislauf Dichtheit der medienführenden SystemeKathodenabsperrventilFeuchtetauscher verschließt den Kathodenkreislaufim Stillstand und unterbindet somitVerschmutzung und Austrocknung Feuchteaustausch zwischenKathoden Ein und Auslassseite Ziel: Vorbefeuchtung der EinlassseiteMassendurchflusssensor Erfassung des Massendurchflussesdes zugeführten Frischluftgemischesauf KathodeneinlassseiteBrennstoffzellen geeigneteSchlauchsysteme Verbindung der Systemkomponentenim Kathodenkreislauf Dichtheit der medienführenden Systeme 13 www.hzwo.eu