Die Brennstoffzelle

Die BrennstoffzelleDie Brennstoffzelle

Saubere EnergieSaubere Energie

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Übersicht

• Geschichte der Brennstoffzelle

• Aufbau

• Funktionsweise – Die Chemie

• Typen von Brennstoffzellen

• Eigenschaften – Vor- und Nachteile

• Zukunftsblick

• Quellen

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Was ist eine Brennstoffzelle?

• Eine BZ ist ein galvanisches Element, in dem durch elektrochemische Oxidation einer leicht zu oxidierenden Substanz (z.B. Wasserstoff) mit Sauerstoff elektrische Energie erzeugt wird.

• Dieser Vorgang heißt „elektrochemische Verbrennung“.

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Geschichte der Brennstoffzelle

• Christian Friedrich Schönbein (1799-1868) entdeckte bereits 1838 das Prinzip der BZ

• Er stellte zwischen zwei mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff umspülten Platinelektroden in einer Elektrolytlösung eine Spannung fest.

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Geschichte der Brennstoffzelle

• 1839 baute Sir William Grove (1811-1896) zusammen mit Schönbein die erste BZ.

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Geschichte der Brennstoffzelle

• Auf Grund der Erfindung des Elektrodynamos durch Werner von Siemens konnte sich die BZ nicht durchsetzen.

• Erst in der zweiten Hälfte des 20. Jh. gewann die BZ an Bedeutung.

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Geschichte der Brennstoffzelle

• Das Militär und die Raumfahrt begannen ab den 50iger Jahren die BZ zu nutzen. Hier waren nicht die Kosten sondern nur die spezifischen Vorteile bedeutend.

U-Boot Saturn V Rakete

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Geschichte der Brennstoffzelle

• Ab den 70iger Jahren wurde die Brennstoffzelle auch für zivile Anwendungen interessant, vor allem auf Grund der Umweltverschmutzung.

• Seit Anfang der 90iger Jahre hat die Technik große Fortschritte gemacht.

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Aufbau einer Brennstoffzelle

• Eine BZ besteht aus 3 Schichten.

• Anode und Kathode werden mit H2 / O2 umspült und dienen als Katalysator (z.B. Platin, Palladium).

• Der Elektrolyt ermöglicht einen Ionenaustausch und kann flüssig oder fest sein, je nach Brennstoffzellen-Typ.

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Aufbau einer Brennstoffzelle

• PEMFC – Proton Exchange Membrane Fuel Cell

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Aufbau einer Brennstoffzelle

• Mit einer H2 / O2 Brennstoffzelle kann man theoretisch 1,23 Volt erzeugen, in der Praxis werden 0,6 – 0,9 Volt erreicht.

• Um mehr Spannung zu bekommen, werden mehrere Zellen zu einem so genannten „Stack“ zusammengeschlossen.

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Funktionsweise

• Eine Brennstoffzelle kehrt den Prozess der Wasser-Elektrolyse um.

Prinzip der Elektrolyse Prinzip der Brennstoffzelle

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FunktionsweiseVerbraucher

MembranAnode Kathode

Elektrolyt

H2 O2

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Funktionsweise

Anode: Oxidation

2H2 -> 4H+ + 4e-

Kathode: Reduktion

O2 + 4e- -> 2O2-

------------------------------------------------------------------------------------

Gesamt: 2H2 + O2 -> 2H2O

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Funktionsweise

• Die Reaktion in einer BZ ist im Prinzip eine geregelte Knallgasreaktion.

Oxidation und Reduktion laufen jedoch getrennt voneinander ab („kalte Verbrennung“)

• Die chemische Energie wird hauptsächlich in elektrische Energie umgewandelt.

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Typen von Brennstoffzellen

• PEMFC - Proton Exchange Membrane Fuel Cell– Ionenaustausch über Polymermembran– Leistung bis 250 kW– Geringe Betriebstemperatur (100 - 120°C)– Relativ günstige Fertigung– Mögliche Nutzung von Straßenbahnen bis zum Handy

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Typen von Brennstoffzellen

• AFC – Alkaline Fuel Cell– Kalilauge dient als Elektrolyt– Leistung bis 20 kW– Sehr geringe Betriebstemperatur (80°C)– Ältester Brennstoffzellentyp– Benötigt reinen Sauerstoff und Wasserstoff– Werden auch heute noch in der Raumfahrt eingesetzt

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Typen von Brennstoffzellen

• PAFC – Phosporic Acid Fuel Cell– Phosphorsäure als Elektrolyt– Leistung bis 11 MW– Hohe Betriebstemperatur (200°C)– Auf Grund der hohen Leistung und der hohen

Betriebstemperatur werden PAFC hauptsächlich als Blockheizkraftwerke verwendet.

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Typen von Brennstoffzellen

• DMFC – Direct Methanol Fuel Cell– Ionenaustausch über Polymermembran– Die DMFC funktioniert mit Methanol als Reaktionsmittel– Methanol lässt sich leichter speichern als Wasserstoff– Bei einer DMFC entstehen als Abfallprodukt nicht nur Wasser

sondern auch CO2

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Eigenschaften - Vorteile

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Eigenschaften - Vorteile

• BZ haben einen Wirkungsgrad von 40-70% (Benzinmotor 10-25%)

• Laufruhig und leise

• Einsetzbar vom Handy bis zu Kraftwerken.

• Unabhängig von Erdöl

• Die Technik der BZ bietet noch viel Raum für Optimierungen.

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Eigenschaften - Nachteile

• Noch teuer in der Herstellung.• Forschung und Entwicklung werden bei

Produkten in den Preis mit eingerechnet.• Wasserstoff ist schwierig zu speichern.• Eine flächendeckende Verbreitung von

Wasserstoff/Methanol Tankstellen wird mehrere Jahre in Anspruch nehmen.

• Technik beim Verbraucher noch recht unbekannt.

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Zukunftsblick

• Die Brennstoffzelle kann und wird in der Zukunft andere Energiequellen ersetzen.

• Vorerst werden BZ hauptsächlich in Einzelsituationen und Flottenbetrieben eingesetzt werden.

• Ab 2010 soll die Massenproduktion von Brennstoffzellen-Autos beginnen.

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Zukunftsblick

• Entscheidend ist auch, wie der Wasserstoff hergestellt wird.

Bei der Wasserstoffgewinnung muss auf Umweltfreundlichkeit geachtet werden.

Miniatur-Brennstoffzelle

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Quellen

• Buch „Elemente Chemie II“

• www.innovation-brennstoffzelle.de

• www.wikipedia.de

• www.diebrennstoffzelle.de

• www.mercedes-benz.de

• www.hydrogeit.de

• www.uni-bayreuth.de