Die Brennstoffzelle Julian Wagner Jan Pollmann Christian Gießen Patrick Rose Markus Hansen Daniel Brüggert BTK55

Brennstoffzelle Funktionsprinzip

Brennstoffzellen sind sogenannte elektrochemische Energiewandler Brennstoffzellen sind sogenannte elektrochemische Energiewandler. Durch sie ist es möglich, den chemischen Energiegehalt eines Brennstoffs, im Idealfall Wasserstoff, ohne den Umweg über eine Wärme-Kraftmaschine direkt in elektrische Energie umzusetzen. Die Arbeitsweise einer Brennstoffzelle kann am einfachsten am Beispiel der elektrochemischen Umsetzung von Wasserstoff in einer Brennstoffzelle mit saurem Polymerelektrolyten erklärt werden (Abbildung).

Wasserstoff (H2) wird einer Elektrode zugeführt, die mit einem Katalysator (z. B. feinverteiltes Platin) belegt ist. Am Katalysator wird das Wasserstoffmolekül in Atome dissoziiert und nach Abgabe je eines Elektrons ionisiert.

Es entstehen Wasserstoff-Ionen (H+ bzw. Protonen) Es entstehen Wasserstoff-Ionen (H+ bzw. Protonen). Die Elektrode ist ebenfalls im Kontakt mit einem Elektrolyten, in dem gelöste, elektrisch geladene Teilchen (Ionen) vorhanden sind, die den elektrischen Strom leiten können.

Die chemischen Reaktionen hierzu lauten: Negative Elektrode (Anode):        2 H2                          4 H+ + 4 e- Positive Elektrode (Kathode):      O2 + 4 e- + 4 H+       2 H2O Gesamtreaktion:                        2 H2 + O2                  2 H2O + Elektrizität + Wärme

Die für die "elektrochemische Verbrennung" von Wasserstoff mit Sauerstoff maximal erzielbare Zellspannung ist temperaturabhängig und beträgt bei Raumtemperatur 1,23 Volt. In der Praxis werden jedoch abhängig von der Belastung der Zelle Spannungen von etwa 0,6 bis 0,9 Volt erreicht. Höhere Spannungen werden durch eine elektrische Serienschaltung mehrer Einzelzellen zu einem Stapel (Stack) erreicht.

Brennstoffzelle

Wasserstoffbetrieb Hydrogen Operation Brennstoffzelle im Opel Zafira 200 Brennstoffzellen in Serie produzieren 125 bis 200 Volt Spannung. Leistung 94 kW. Die Leistungsdichte ist 1.6 kW pro Liter oder 0,94 kW pro kg.

Aufgabe der Brennstoffzelle Mit den bisher verwendeten (fossilen) Energieträgern geht es irgendwann einmal zu Ende. Schon jetzt sind die Nachteile der ziemlich einseitigen Abhängigkeit vom Erdöl zu spüren. Vielleicht ist es politisch noch mehr als von der Größe der Vorräte her geboten, aus dieser Sackgasse heraus zu steuern. Was passiert mit denjenigen auf der Welt, die unseren Komfort und unsere Mobilität noch nicht haben? Wir brauchen langfristig Fahrzeuge, die ohne herkömmliche Energie auskommen und vor allem ohne Kohlendioxid im Abgas. Herkömmliche Techniken reduzieren deutlich die Schadstoffe, haben aber keine nennenswerten Fortschritte bei den Kohlendioxid-Emissionen gebracht.

Eine andere Möglichkeit ist die Verflüssigung von Wasserstoff, wobei aber die Temperatur dauerhaft unter -250°C bleiben muss. Dies gelingt mit Isoliermaterial z.B. aus der Raumfahrt drei Tage lang, aber danach entweicht Energie oder sie wird zur Abkühlung gebraucht. Das nebenstehende Bild zeigt den Einfüllstutzen für solch einen Wasserstofftank. Derzeit wird die Brennstoffzelle in Busse als Versuchsträger eingebaut, die bei 350 bar ca. 200 km Reichweite erzielen, also bedeutetnd weniger als die von Dieselkraftstoff angetriebenen. Etwas Erfolg versprechender ist die Anlagerung von Wasserstoff im Tank an Metallhydride oder sogar an flüssigen Stoffen, z.B. Borax. Zwei Tanks im Fahrzeug wären dann erforderlich und man würde dann an der Tankstelle nicht nur eine Flüssigkeit aufnehmen, sondern gleichzeitig auch abgeben.

Vor/Nachteile Vorteile: Wasserstoff unendlich verfügbar therotisch keine schädlichen Emmisionen Nachteile: Serienmodelle erst in zukunft verfügbar Aufgrund der aufwendigen Technologie sehr teuer Zur Zeit nur 10 Wasserstofftankstellen in Deutschland

Umweltvorteile fast keine Emissionen vor Ort der Verwendung; katalytische Brennstoffausnutzung; hoher Wirkungsgrad; niedrige Temperaturen

Umweltnachteile zusätzliche Verluste bei Zusatzaggregaten der Brennstoffzelle; hohe Anforderungen an H2-Reinheit

Fazit: Abschließend kann man sagen, dass der Entwicklungstand in Grundlagenforschung und Versuchsträger einen Einsatz für die breite Masse frühestens in 10-20 Jahren möglich macht. Brennstoffzellen in Stationäranlagen sind vorzuziehen

Brennstoffzelle Die Brennstoffzelle ist ein galvanisches Element, in dem durch elektrochemische Oxidation einer leicht zu oxidierenden Substanz (z.B. Wasserstoff, Methanol) mit Sauerstoff („elektrochemische Verbrennung“) elektrische Energie erzeugt wird

Auf den Elektrolyten kommt es an Wichtiges Unterscheidungsmerkmal der verschiedenen Brennstoffzellen ist der Elektrolyt, der die beiden Reaktionspartner voneinander fernhält und gleichzeitig einen Austausch von Ionen ermöglicht. Ein solcher Elektrolyt kann beispielsweise eine Membran sein, die Wasserstoff und Sauerstoff trennt, Wasserstoffionen jedoch passieren lässt. Es gibt jedoch auch Elektrolyte aus flüssiger Kalilauge, geschmolzenen Salzen oder aus festen Keramikmaterialien. Vom Elektrolyten hängt nicht nur die Art der ausgetauschten Ionen ab, sondern auch die Arbeitstemperaturen. Diese können zwischen 70 und 1.000 Grad Celsius liegen.

Ähnliches Funktionsprinzip bei allen sechs Brennstoffzellentypen Dieses Grundprinzip der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff gilt für alle Brennstoffzellen gleichermaßen. Die Umsetzung sieht jedoch für die verschiedenen Typen sehr unterschiedlich aus. In Abhängigkeit von dem verwendeten Elektrolyten werden unterschiedliche Ionen ausgetauscht. Statt des reinen Sauerstoffs wird häufig einfach nur Luft verwendet. Neben Wasserstoff können Methanol, Erdgas oder Benzin als Brennstoffe eingesetzt werden. Das Erdgas oder Benzin muss dazu jedoch in einem so genannten Reformer in Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt werden.