Die Brennstoffzelle

  1. Begriffsdefinition
  2. Grundprinzip der Brennstoffzelle
    1. Erklärung anhand der PEFC-Zelle
    2. Mobiler Einsatz in Kraftfahrzeugen
  3. Weitere Brennstoffzellentypen
  4. Aufbau und Leistung eines Brennstoffzellenstapels
  5. Geschichte der Brennstoffzelle
  6. Literaturverzeichnis

 

I. Begriffsdefinition

Eine Brennstoffzelle ist ein Energieumwandler, der chemische Energie in elektrische Energie umwandelt und dabei einen verhältnismäßig hohen Wirkungsgrad von bis zu 80% erzielt. Er arbeitet nach dem umgekehrten Prinzip der Elektrolyse, bringt also Wasserstoff oder einen anderen Brennstoff und Sauerstoff wieder zusammen. Das Ausgangsprodukt ist einfaches Wasser. Die verschiedenen Brennstoffzellentypen unterscheiden sich hauptsächlich durch die verwendeten Elektrolyten und die dadurch erzielten Betriebstemperaturen. Eine Brennstoffzelle eignet sich, je nach Aufbau und Größe, zum stationären oder zum mobilen Einsatz

 

 

II. Das Grundprinzip der Brennstoffzelle

a) erklärt anhand der PEFC-oder Grovezelle

Grovezelle

In einer Brennstoffzelle verbinden sich Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe eines Elektrolyts, der in diesem Falle eine dünne Kunststoffmembran ist, zu Wasser, wobei die in Form von Elektrizität freiwerdende Energie direkt einen Verbraucher (z.B. einen elektrischen Automotor, Raketenantrieb etc.) antreibt. Bei diesem Vorgang handelt es sich um die Umkehrung der Elektrolyse, d.h. die Trennung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff.

In einer einfachen Brennstoffzelle, deren Aufbau erstmals von dem walisischen Physiker William R.Grove entwickelt und die deshalb auch nach ihm benannt worden ist, reagieren Wasserstoff und Sauerstoff in einer Zelle mit einem protonenleitenden Elektrolyten zu einfachem Wasser. Sie baut sich im Prinzip aus zwei Platinelektroden, die Anode und Kathode bilden, und einer Elektrolytenmembran auf, die die Aufgabe hat, Sauerstoff und Wasserstoff voneinander getrennt zu halten um eine unkontrollierte, sogenannte Knallgasreaktion zu vermeiden, bei der sich die Energie schlagartig und in Form von Wärme entladen würde. An die Anode wird Wasserstoff geleitet. Mit Hilfe eines Katalysators wird er aus dem molekularen in den atomaren Zustand überführt, da nur in diesem Zustand dem Wasserstoff die Elektronen entzogen werden können. Nun spalten sich durch Einwirkung des Katalysators, der auf die Elektrolytenmembran aufgebracht ist, die Elektronen vom Wasserstoff ab und werden dem Stromkreis des Verbrauchers zugeführt. Der Wasserstoff verliert seine Neutralität und wird positiv geladen. Die so entstandenen Wasserstoff-Protonen diffundieren durch die Elektrolytenmembran und reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen aus dem Stromkreis zum Abfallprodukt Wasser, das in Form von Wasserdampf abgegeben wird.

Die Affinität in der Brennstoffzelle sorgt dafür, daß sich zwischen Anode und Kathode eine Spannung ausbildet. Schließt man den Stromkreis über den Verbraucher, so können Elektronen von der Anode zur Kathode fließen, und die elektrische Leistung wird verrichtet. Nur

noch ein kleiner Teil der chemischen Brennstoffenergie, der im Idealfall kleiner als 20% ist, wird in der Zelle als Wärme freigesetzt.

Brennstoffzelle

b) Der mobile Einsatz in Kraftfahrzeugen

Eine Brennstoffzelle dieses Typs, die PEFC- oder Grovezelle genannt wird,

arbeitet nach dem grundlegendsten und einfachsten Aufbauprinzip, sie arbeitet aber trotzdem sehr effektiv und wird derzeit für einen mobilen Einsatz in Bussen und PKWs weiterentwickelt und verkleinert. Dabei gibt es zwei unterschiedliche Konzepte zum Einsatz dieser Brennstoffzellen. Das erste Konzept, von BMW entwickelt, sieht einen Einsatz der Brennstoffzelle als Ersatz für die herkömmliche Autobatterie, einen Bleiakkumolator, vor. Sie soll das Bordnetz mit elektrischer Energie versorgen und bringt neben einer höheren Leistung und einer längeren Lebensdauer auch den Vorteil der Möglichkeit einer Standklimatisierung mit sich. Desweiteren plant BMW in seinem "Clean Energy" den Einsatz eines Wasserstoffverbrennungsmotors, der anstatt Benzin Wasserstoff verbrennt, welcher zuvor mit Hilfe eines Erdgasreformers aus Erdgas gewonnen wurde und sowohl Motor als auch Brennstoffzelle damit speist. Ein ganz anderes Konzept sieht hingegen Mercedes- Benz in seiner Planung für das NECAR (New Electric Car) vor. Bei ihnen soll die Brennstoffzelle einen Elektromotor antreiben und damit unmittelbar für den Antrieb des Fahrzeugs sorgen. Hierbei wird das Fahrzeug vorerst direkt mit Wasserstoff betankt, der dann in speziellen Drucktanks mitgeführt werden kann. Es wird aber auch bereits an einem Projekt zur Wasserstoffgewinnung aus Methanol an Bord eines solchen Fahrzeugs gearbeitet. Diese Variante wird durch eine sicherere Betankung der Fahrzeuge und ein schneller erschliesbares Tankstellennetz bevorteilt.

Vergleich der Größe einer Brennstoffzelle mit der einer herkömmlichen Autobatterie:

Batterievergleich

(links die Autobatterie, rechts die Brennstoffzelle)

 

Wie man sieht besteht kein Größenunterschied zwischen einer herkömmlichen Autobatterie und einer entsprechenden Brennstoffzelle. Der mobile Einsatz einer solchen Zelle ist also durchaus realisierbar.

 

III. Weitere Brennstoffzellentypen

Die SOFC-Brennstoffzelle

Die SOFC-Brennstoffzelle

Diese Darstellung zeigt die elektrochemischen Vorgänge in einer sogenannten Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), die zu der Gruppe der Hochtemperatur-Brennstoffzellen gehört. Ihr Elektrolyt besteht aus Zirkonoxid und wird erst oberhalb von 800°C leitend für Sauerstoffionen. Elektronen können nicht weitergeleitet werden und müssen deshalb den "Umweg" über den Verbraucher nehmen. Diese Zelle wird mit einer Kombination aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid betrieben, als Reaktionsprodukte entstehen Wasser und Kohlendioxid. Dieser Brennstoffzellentyp ist also nicht vollkommen emissionsfrei, liegt aber im Schadstoffausstoß deutlich unter dem der herkömmlichen Energieerzeuger. Auf der Kathodenseite der Zelle wird ein Sauerstoffmolekül in zwei Sauerstoffatome zerlegt, die jeweils zwei Elektronen aufnehmen und mit diesen bepackt durch den Elektrolyten diffundieren. Auf der Anodenseite trennt sich der Sauerstoff wieder von den Elektronen und reagiert jeweils mit Wasserstoff zu Wasser und mit Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid. Die verbliebenen Elektronen wandern wegen der sich einstellenden Spannungsdifferenz durch den äußeren Stromkreis des Verbrauchers zurück zur Kathode. Bei diesen Reaktionen entsteht aber nicht nur Strom für den Stromkreis des Verbrauchers, es fällt auch Wärme auf einem sehr hohen Temperaturniveau an, die wiederum zum Betrieb einer nachgeschalteten Gasturbine genutzt werden kann, welche abermals Strom erzeugt.

Diese Darstellung zeigt die elektrochemischen Vorgänge in einer sogenannten Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), die zu der Gruppe der Hochtemperatur-Brennstoffzellen gehört. Ihr Elektrolyt besteht aus Zirkonoxid und wird erst oberhalb von 800°C leitend für Sauerstoffionen. Elektronen können nicht weitergeleitet werden und müssen deshalb den "Umweg" über den Verbraucher nehmen. Diese Zelle wird mit einer Kombination aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid betrieben, als Reaktionsprodukte entstehen Wasser und Kohlendioxid. Dieser Brennstoffzellentyp ist also nicht vollkommen emissionsfrei, liegt aber im Schadstoffausstoß deutlich unter dem der herkömmlichen Energieerzeuger. Auf der Kathodenseite der Zelle wird ein Sauerstoffmolekül in zwei Sauerstoffatome zerlegt, die jeweils zwei Elektronen aufnehmen und mit diesen bepackt durch den Elektrolyten diffundieren. Auf der Anodenseite trennt sich der Sauerstoff wieder von den Elektronen und reagiert jeweils mit Wasserstoff zu Wasser und mit Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid. Die verbliebenen Elektronen wandern wegen der sich einstellenden Spannungsdifferenz durch den äußeren Stromkreis des Verbrauchers zurück zur Kathode. Bei diesen Reaktionen entsteht aber nicht nur Strom für den Stromkreis des Verbrauchers, es fällt auch Wärme auf einem sehr hohen Temperaturniveau an, die wiederum zum Betrieb einer nachgeschalteten Gasturbine genutzt werden kann, welche abermals Strom erzeugt.

 

Brennstoffzellentypen

 

Die AFC-Brennstoffzelle:

Dieser Typ von Brennstoffzelle ist bereits in den 70er und 80er Jahren entwickelt worden und wird seitdem schon erfolgreich in der Raumfahrt eingesetzt. In einem übernimmt sie, neben der Aufgabe der Stromerzeugung für das Bordnetz des Raumschiffs, auch die Aufgabe der den muß. Sie arbeitet nur im Wasserstoff-Sauerstoffbetrieb, da sie sehr empfindlich gegenüber Kohlenmonoxid und Kohlendioxid ist und es bei einer Mischung der Brennstoffe zum Ausfall der Zelle käme. Sie arbeitet mit einer geringen Betriebstemperatur von nur 80°C.

 

Die PEFC-Brennstoffzelle:

Diese Zelle versteht sich quasi als Nachfolger der einfachen AFC-Zelle. Sie arbeitet ebenfalls mit Wasserstoff als Brennstoff, kann aber mit einem Wasserstoff-Kohlendioxidgemisch betrieben werden. Ihre detaillierte Arbeitsweise wurde schon im ersten Teil genau besprochen ( siehe Kapitel I ). Dieser Zellentyp zeichnet sich vor allem durch die Möglichkeit der einfachsten Serienbauweise für den Einsatz als mobile Einheit in Fahrzeugen aus. Sie verfügt über eine gute Dynamik und ist beliebig an- und abschaltbar.

 

Die PAFC-Brennstoffzelle:

Dieser Typ ist erst vor kurzer Zeit fertig gestellt worden und daher erst in wenigen Anlagen zu finden. Eine solche Brennstoffzelle eignet sich fast ausschließlich nur für den stationären Einsatz in einem Blockheizkraftwerk oder ähnlichen Anlagen. Ihr ist ein externer Reformer für den Erdgas-Sauerstoffbetrieb vorgeschaltet, mit dessen Hilfe aus Erdgas wasserstoff gewonnen wird.

 

Die MCFC-Brennstoffzelle:

Die MCFC-Brennstoffzelle gehört zu den Hochtemperaturzellen. Sie arbeitet mit einer Betriebstemperatur von 650°C und befindet sich zur Zeit noch in der Erprobungsphase. Bis jetzt gibt es eine erste stationäre Demo-Anlage, die Strom im großen Maßstab bis 2 MW erzeugt und sich aufgrund der hohen Abwärmetemperatur desweiteren dazu eignet Nachschaltprozesse zur weiteren Stromerzeugung zu versorgen. Es gibt aber noch einige Probleme durch Elektrolytverluste und Korrosion, die bis zur Fertigung einer solchen Brennstoffzelle behoben werden müssen. Dann aber kann diese Zelle einen elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 60% erreichen.

 

Die SOFC-Brennstoffzelle:

Diese Zelle gehört ebenfalls zu den Hochtemperaturzellen und hat mit einer Betriebstemperatur von etwa 950°C die höchste Betriebstemperatur aller Brennstoffzellen. Es gibt auch hiervon nur eine erste Testanlage, die eine Leistung von etwa 100 kw erbringt, aber durch die hohe Abwärme weitere Nachschaltprozesse ermöglicht und dadurch einen Wirkungsgrad von 70% erzielt. Die hohe Betriebstemperatur ist aber auch das größte Problem auf dem Weg zur Serienreife.

IV. Aufbau und Leistung eines Brennstoffzellenstapels

Brennstoffzellenstapel

 

Eine einzelne Zelle bietet eine Zellspannung von etwa 1 Volt Leerlaufspannung. Schließt man nun den äußeren Stromkreis durch einen Verbraucher, fließt Strom und am Verbraucher wird elektrische Leistung verrichtet. Dadurch sinkt die Zellspannung auf Werte zwischen 0,5 und 0,9 Volt ab. Um nun eine höhere Spannung zu erreichen werden mehrere Einzelzellen zu einem Zellstapel, einem sogenannten Stack, verbunden. Dabei addieren sich die einzelnen Zellspannungen zu einer Gesamtspannung, die bei einer entsprechenden Anzahl zusammen geschalteter Einzelzellen hoch genug ist, um die entstehende elektrische Energie direkt zu nutzen oder sie mit Hilfe eines Inverters in Wechselstrom umzuwandeln. Ein solches Stack besteht außer aus den einzelnen Zellenauch noch aus elektrisch leitenden Platten, die die Einzelzellen miteinander verbinden und den entstehenden Strom weiterleiten. Außerdem übernehmen sie die Versorgung der Zellen mit Brennstoff und Sauerstoff und transportieren die Reaktionsprodukte und überschüssigen Brennstoff und Luft ab.

Ein Stack einer PAFC-Brennstoffzelle besteht beispielsweise aus 320 Einzelzellen, ist 0,49 m² groß und erbringt eine elektrische Nennleistung von 200 kW.

 

 

V. Geschichte der Brennstoffzelle

Das der Brennstoffzelle zugrundeliegende chemische Reaktionsprinzip zur elektrochemischen Energieumwandlung wurde bereits im Jahre 1839 von Sir William Grove entdeckt. Im Jahre 1842 baute er einen ersten, funktionstüchtigen Versuchsaufbau auf, der genügend Spannung erzeugte um eine Elektrolyse von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu erzielen . Dabei benutzte er als Elektrolyten, d.h. als Stoff, der als Medium für die Elektroden dient, verdünnte Schwefelsäure. Als Elektroden verwendete er dünne Platinplatten. Seine Erkenntnisse wurden aber nicht besonders beachtet und nicht weiter erforscht. Erst Mitte dieses Jahrhunderts begann wieder an der Möglichkeit der Stromerzeugung durch die sogenannte "kalte Fusion" von Wasserstoff und Sauerstoff zu forschen. In den 70er Jahren wurde dieses Prinzip dann erstmals in der Raumfahrt eingesetzt und seit den 90er Jahren für die zivile Fortbewegung weiterentwickelt.

 

1839: Erfindung der Brennstoffzelle

1842: Kombination von vier Zellen zur Versorgung einer Elektrolysezelle

 

 

Bücher

- Elemente Chemie II, Ernst Klett Schulbuchverlag

Stuttgart, 1. Auflage 1989

- Schülerduden "Die Chemie", Dudenverlag

Mannheim Wien Zürich, 2. überarbeitete Auflage 1988

- Großes Lexikon A-Z, Isis Verlag

Chur, 1996

 

Internetadressen

-www.ift.uni-hannover.de/CLI/brennstoffzellen.htm

-www.swr-online.de/rasthaus/oekologie/brennstoffzelle

-www.mercedes.de/d/innovation/fmobil/necar/htm

-www.wdr.de/kopfball

-www.fh-flensburg.de/ret/index.htm

-www.nordheide-online.com/expo 2000/thema_2/dokument...

 

 

von Susanne Grüne Chemie-GK 12.2   27.5.99

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