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Die Brennstoffzelle(BZ)


Gliederung:


1. Energieträger Wasserstoff2. Geschichte3. Funktionsprinzip der Brennstoffzelle3.1 Aufbau3.2 Arbeitsweise4. Brennstoffzellen im mobilen Bereich5. Wasserstoffantrieb6. Zusammenfassung7. Quellen

1. Energieträger Wasserstoff


Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft. Erzeugt mit Hilfe von Sonnen-, Wasser- und Windenergie könnte er in einigen Jahrzehnten die herkömmlichen Brennstoffe Kohle, Erdöl und Erdgas ersetzen. Sein Vorteil: Er hinterlässt beim Verbrennen kein klimaschädigendes Abgas. Die Autoindustrie experimentiert zur Zeit mit Wasserstoff als Antrieb für Kraftfahrzeuge. Doch auch die Herstellung von Wasserstoff anhand der alternativen, "sauberen" Energien ist mit hohem technischen Aufwand verbunden. Zudem schafft die Speicherung und der Transport des Gases Probleme. Deshalb stellt sich die Frage: Wie ökologisch und ökonomisch ist diese Gastechnologie tatsächlich? In der sogenannten Elektrolyse wird Wasserstoff aus Wasser abgespalten. Wird er verbrannt, liefert der Prozess Kraft oder Strom für Automotoren und andere Maschinen. Doch das Gas selbst ist keine Energiequelle, sondern nur ein Energieträger.
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Die Elektrolyse ihrerseits benötigt Strom. Darum taucht die Vision von der sauberen Energie im Gas immer zusammen mit der von sauberem Strom aus Wasserkraft, Sonne, Wind und Biomasse auf. Das Gas lässt sich bei tiefen Temperaturen verflüssigen. Dann kann es gespeichert, transportiert und verteilt werden. Und so hält sich hartnäckig die Idee einer globalen Wasserstoffwirtschaft, bei der Energie in der einen Ecke der Welt erzeugt und einer anderen verbraucht wird.


In Brennstoffzellen kann chemische Energie mit hohem Wirkungsgrad und minimalen Emissionen direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden. Einer Brennstoffzelle werden dazu kontinuierlich gasförmige Brennstoffe (z.B.: Wasserstoff oder Erdgas) und Luft zugeführt.


2. Geschichte


1839 beschrieb der in Swansea (Wales) geborene Physiker und Jurist William Robert Grove (1811-1896) eine "galvanische Gasbatterie". Durch "kalte Verbrennung" von Wasserstoff mit Sauerstoff sollte sie - mit einen Wirkungsgrad von nahezu 100% - elektrischen Strom liefern. Einer der ersten Wissenschaftler, der die Bedeutung dieser Entdeckung erahnte, war wohl Wilhelm Ostwald (1853-1932), der seit 1887 Direktor des ersten Lehrstuhls für physikalische Chemie in Leipzig war. Im Jahre 1894 beschreibt Ostwald seine visionären Ideen über die "wissenschaftliche Elektrochemie der Gegenwart und der Zukunft" folgendermaßen: "Haben wir ein galvanisches Element, welches aus Kohle und dem Sauerstoff der Luft unmittelbar elektrische Energie liefert ...,dann stehen wir vor einer technischen Umwälzung, gegen welche die bei der Erfindung der Dampfmaschine verschwinden muss. Denken wir nur, wie ... sich das Aussehen unserer Industrieorte ändern wird! Kein Rauch, kein Ruß, keine Dampfmaschine, ja kein Feuer mehr... ."Gleichzeitig räumte er aber bereits ein, dass es noch ein weiter Weg von dieser Idee bis zu einer technisch funktionierenden Maschine ist:"...denn bis diese Aufgabe einmal ernst in Angriff genommen wird, wird noch einige Zeit vergehen. Aber dass es sich hier nicht um eine unpraktische Gelehrtenidee handelt, glaube ich allerdings annehmen zu dürfen."Wie recht hatte Ostwald mit seinen Vorhersagen. Die ersten brauchbaren Brennstoffzellen wurden tatsächlich erst in den 50er Jahren unseres Jahrhunderts entwickelt, um sie zur Stromversorgung an Bord der Satelliten des amerikanischen Raumfahrtprogramms zu verwenden. Hier spielte sowohl der "astronomische" Preis dieser Geräte, als auch die extremen Reinheitsanforderungen an die verwendeten Gase keine Rolle. Später machte auch das Militär von der Brennstoffzelle Gebrauch und nutzt sie u.a. für den emissionslosen und geräuschfreien Antrieb von Elektromotoren in U-Booten. Auf der Suche nach neuen von fossilen Kohlenwasserstoffen unabhängigen Energiequellen und mit dem gestiegenen Umweltbewusstsein wurde gegen Ende der 80er Jahre erstmals ein breites Interesse an der Brennstoffzelle geweckt. Die Forschungsanstrengungen zu deren Realisierung wurden deutlich verstärkt. Insbesondere der Aspekt, dass es eine Möglichkeit zur kohlendioxidfreien Erzeugung von elektrischer Energie gibt, macht sie sowohl für die stationäre als auch für die mobile Nutzung äußerst attraktiv. Der zu ihrer Betreibung notwendige Wasserstoff könnte als Träger chemischer Energie viele der bisher verwendeten Energieträger ablösen. Wasserstoff wird daher bereits oft als der Energieträger des 21. Jahrhunderts angesehen.


3. Funktionsprinzip der Brennstoffzelle:


3.1 Aufbau:


Das Grundprinzip wird durch die räumliche Trennung der Reaktionspartner durch einen ionenleitfähigen Elektrolyten verwirklicht, der auf beiden Seiten mit porösen Elektroden (Anode und Kathode) in Kontakt steht. Auf diese Weise läuft die chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff nicht explosionsartig als Knallgasreaktion ab, sondern wird kontrolliert durchgeführt, so dass der Elektronenaustausch zwischen den Reaktionspartnern über einen äußeren Stromkreis erfolgt und dabei elektrische Energie liefert.

3.2 Arbeitsweise


Brennstoffzellen sind elektrochemische Stromerzeuger, die ohne den Umweg über die Wärme, direkt aus einer chemischen Verbindung, Elektrizität erzeugen. Sie können auch als gasbetriebene Batterien, die durch kalte, elektrochemische Verbrennung eines Gases - in der Regel Wasserstoff- Gleichspannungsenergie erzeugen, bezeichnet werden. Die Technologie der BZ basiert auf der Umkehrung der elektrolytischen Zersetzung des Wassers. Während bei der Wasserelektrolyse durch einen Stromfluss die Gase Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gebildet werden, dreht sich diese Reaktion bei der BZ um:Summe: 2 H2 + O2 -> 2 H2ODiese Gesamtreaktion wird in der BZ in zwei Einzelreaktionen getrennt, welche separat an den beiden Elektroden erfolgen. An der Anode wird Wasserstoff zu Protonen oxidiert:Anode: 2 H2 ® 4 H+ + 4 e-


während an der Kathode der Sauerstoff umgesetzt wird:Kathode: O2 + 4 H+ + 4 e- ® 2 H2O


An der Kathode herrscht also Elektronenmangel (O2) und an der Anode Elektronenüberschuss (4 H+ + 4 e-). Verbindet man nun die beiden Elektroden mit einem elektrischen Leiter, so fließt ein elektrischer Strom. Auf Grund der Trennung der beiden Reaktionen kann der Elektronenübergang nur durch einen äußeren Leiterkreis erfolgen. Die BZ besteht demzufolge aus zwei Elektroden, die mit Wasserstoff bzw. mit Sauerstoff versorgt werden müssen und einer dazwischenliegenden Trennschicht, dem Elektrolyten. Er ist gewöhnlich flüssig oder halbflüssig. Auf Grund der verschiedenen Materialien, die für den ionenleitenden Elektrolyten verwendet werden, unterscheidet man unterschiedliche BZ-Typen (siehe Tabelle). Bei der hier verwendeten BZ handelt es sich um eine sogenannte Membranbrennstoffzelle (engl. Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEM), bei der ein wassergequollenes, ionenleitendes Polymer als Elektrolyt dient (siehe Bild).


Name Elektrolyt Arbeitstemperaturin °C ReaktionsgaseAlkalische Brennstoffzelle(AFC) Alkalilauge 70 - 100 H2 + O2 (hochrein)Membranbrennstoffzelle(PEM) Polymermembran 50 - 100 H2 + LuftsauerstoffPhosphorsaure BSZ(PAFC) Stabilisierte Phosphorsäure 160 - 210 H2(reformiert aus Erdgas)LuftsauerstoffSchmelzkarbonat- BSZ(MCFC) Schmelzkarbonatlösung 650 H2 (interne Reformierung v. Erdgas)LuftsauerstoffFestoxid-BSZ(SOFC) Festkeramischer Elektrolyt 800 - 1000 H2 (interne Reformierung v. Erdgas)Luftsauerstoff


4. Der Einsatz von Brennstoffzellen im mobilen Bereich:


Der heutige Bedarf an Mobilität führt zu einer immensen Verkehrsbelastung und damit zu extremen Emissionen im Straßenverkehr. Elektrofahrzeuge haben am Fahrzeug selbst keine Emissionen, besitzen aber mit Batteriespeicher eine relativ geringe Reichweite und schlechten Wirkungsgrad bei langen Ladezeiten. Brennstoffzellen im Automobil können elektrischen Strom sehr effizient direkt aus chemisch gespeicherter Energie gewinnen. Etwa 70% aller Autofahrten erfolgen im Stadtverkehr. Da die Brennstoffzelle einen hohen Wirkungsgrad bei einer Teillastbeanspruchung, wie es in der Stadt ist, hat, könnte man dort die Emissionen deutlich reduzieren.Wird Wasserstoff als Energieträger verwendet, so ist das Auto sogar emissionsfrei, da lediglich Wasser produziert wird. Jedoch führt die Verwendung von Wasserstoff auch zu einigen neuen Problemen. Wasserstoff muss man entweder flüssig in einen tiefgekühlten Tankbehälter unterbringen, oder man füllt es in einen Behälter mit Metallhydrid. Dieses Material saugt den Wasserstoff auf, und es ist keine zusätzliche Kühlung notwendig. Beim Tanken von Wasserstoff ist stets darauf zu achten, dass sich auf keinen Fall Sauerstoff mit dem Wasserstoff vermengt, da es sonst zu einer Explosion kommt. Meistens wird über ein Vakuumsystem getankt, um etwaige Schwierigkeiten zu vermeiden. Außerdem muss ein Tank zu 100% dicht sein, da Wasserstoff stark flüchtig ist und sonst entweichen würde.


Anwendungsbereiche:· Energieerzeugung im Haushalt· bei Fahrzeugen


Vorteile:· umweltfreundlich· geruchs- und geräuscharmNachteile:· teure Anschaffung· die Lagerung von Wasserstoff ist zur Zeit noch sehr aufwendig


Als Vorreiter für die Anwendung der Brennstoffzelle hat die Daimler Benz AG sich in der Entwicklung solcher Fahrzeuge besonders früh engagiert. In den verschiedenen Autofirmen wird heute ebenfalls an der Implementierung von Brennstoffzellen gearbeitet.Im Frühjahr 1999 stellte die DaimlerChrysler AG ihre letzte Entwicklung auf dem Gebiet vor. Im NECAR 4 (New Electric CAR) wird die Brennstoffzelle aus einem Wasserstofftank vor der Hinterachse gespeist (Bild). Das Sandwichkonzept, das Daimler Benz in der A-Klasse einführte, ermöglicht eine gute Unterbringung der Brennstoffzellenstapel (Stacks) im Unterboden der Fahrgastzelle des Fahrzeuges und erreichen so einen tiefen Schwerpunkt der noch schweren Brennstoffzellentechnologie.


5. Wasserstoffantrieb


Der Wasserstoffantrieb ist eine weitere Möglichkeit, sein Auto umweltfreundlich in Betrieb zu nehmen.


Funktionsprinzip:


Ein Wasserstoffmotor funktioniert im Prinzip wie ein normaler Benzinverbrennungsmotor, nur dass als Brennstoff Wasserstoff verwendet wird. Dieses Prinzip wird von BMW verfolgt.Das bedeutet auch, dass man für den Motorblock spezielle Materialien benötigt, da man sonst mit einem großen Treibstoffverlust zu rechnen hat.


Clean Energy: Der BMW 750hL fährt mit Wasserstoffantrieb


750hL: Wasserstoff-Limousine für den AlltagDie Wasserstoff-Technik in den Zwölfzylinder-Limousinen hat bereits einen Reifegrad erreicht, der nach Ansicht von BMW realistische Planungen für eine Großserienfertigung erlaubt. Damit kommt das Clean-Energy-Auto in Sicht: Ein Auto, das sich in den ökologisch idealen, geschlossenen Energiekreislauf auf Wasserbasis einfügt.Mit Wasserstoff betrieben leistet der Zwölfzylindermotor 150 kW (204 PS), beschleunigt in 9,6 Sekunden aus dem Stand auf Tempo 100 und erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 226 km/h. Mit dem 140 Liter fassenden Kryo-Tank hat der voll ausgestattete 7er eine zusätzliche Reichweite von 350 Kilometern. Dazu kommt eine konventionelle Benzin-Kraftstoffversorgung, die mit Rücksicht auf die lückenhafte Versorgung mit Wasserstoff unverändert an Bord bleibt.Der Wasserstoff wird bei einer Temperatur von rund minus 250 Grad Celsius in einem doppelwandigen Stahltank hinter den Fondlehnen gespeichert. Zwei Sicherheitsventile sorgen bei zu hohem Überdruck für die kontrollierte Entlüftung. Sie sind auch Teil des Sicherheitskonzepts: Selbst bei einem massiven Auffahrunfall, bei dem der Tank in seinem geschützten Bereich betroffen wäre, würde der Stahlzylinder mit seiner zweimal zwei Millimeter starken Hülle nicht undicht, so BMW. Noch stärkere Deformationen, die den Insassen kaum Überlebenschancen ließen, könnten den Tank zwar leck schlagen, er kann jedoch nicht explodieren: Dafür wäre ein Wasserstoff/Luft-Gemisch Voraussetzung, Luft kann aber durch den höheren Wasserstoff-Innendruck nicht in den Tank eindringen.Der Motor unterscheidet sich vom Benziner nur durch den Ansaugtrakt mit zusätzlichen Einblasventilen für den Wasserstoff. Die Verbrennung erfolgt generell mit Luftüberschuss. Die zusätzliche Luft im Brennraum nimmt Wärme auf und senkt damit die Flammentemperatur. Die niedrige Verbrennungstemperatur vermeidet gleichzeitig die Entstehung von Stickstoffoxiden (NOx). Denn bei hohen Temperaturen wird ein Teil des in der Luft enthaltenen Stickstoffs zu Stickoxiden "verbrannt". Bei niedrigen Temperaturen tritt diese Luftstickstoff-Verbrennung nicht auf.


6. Zusammenfassung:


Die Technologie der Brennstoffzelle steht noch am Anfang der Entwicklung. Es gibt zwar schon die ersten entwickelten Autos, aber bis zur Serienreife wir es wohl noch einige Jahrzehnte dauern. Tankstellen müssen gebaut werden und vor allem muss noch viel Geld für die Forschung ausgegeben werden, um Wasserstoff energiesparend zu produzieren und zu lagern. Der wichtigste Punkt bei der Durchsetzung wird der Preis der Autos sein.Die Brennstoffzelle wird in Zukunft auch weiter in anderen Gebieten als nur bei Kraftfahrzeugen eingesetzt werden und vielleicht wird die Brennstoffzelle der wichtigste Energieerzeuger der Zukunft.