Projektwoche Brennstoffzelle

Wir stellen uns vor

Die Projektwoche "Brennstoffzelle" ist ein Projekt der beider Fachoberschulklassen der Beruflichen Schule in Gaarden, Kiel. Die Gruppe für die Präsentation der Funktion der Brennstoffzelle, die auch für diese Webseite verantwortlich ist, besteht aus:

Brennstoffzellen sind elektrochemische Systeme, die chemische Energie von Oxidationsprozessen direkt in elektrische Energie umsetzen. Das Funktionsprinzip ist dem der Batterie ähnlich. Der wesentliche Unterschied ist, dass die Energie nicht in den Elektroden gespeichert ist, sondern in einem externen Tank gelagert wird. Die Technologie der Brennstoffzellen wurde bereits vor mehr als 160 Jahren erfunden. Sie findet z.B. Anwendung in Kraft-Wärme-Kopplungssystemen für die Bereitstellung von elektrischer und thermischer Energie und als Stromquelle für elektrische Fahrzeuge (im Unterschied zu batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen können brennstoffzellenbetriebene Fahrzeuge die Vorteile von vergleichbaren Leistungsdichten und Reichweiten von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor aufweisen).

Fortschritte in den Materialwissenschaften der letzten Jahrzehnte auf dem Gebiet der Brennstoffzelle haben dazu geführt, dass Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellentechnologie höhere Reichweiten und Leistungen erreichen als die Fahrzeuge, die mit konventionellen Batterien betrieben werden.

So ergeben sich neben einem hohen Wirkungsgrad, einem modularen Aufbau, einer hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit noch viele weitere interessante vorteilhafte Faktoren wie:

nach oben



Die Geschichte der Brennstoffzelle

Im Jahre 1839 wurde die Brennstoffzelle "erfunden". Der in Swansea, Wales, geborene Jurist und Physiker Sir William Robert Grove (1811-1896) experimentierte zu dieser Zeit mit der Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff und stellte fest, dass sich dieser Prozess auch umkehren ließ. Schon bald stellte er eine "galvanische Gasbatterie" vor, die durch sogenannte kalte Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff eine Spannung erzeugen konnte. Diese Brennstoffzelle bestand aus zwei Platinelektroden, die in verdünnte Schwefelsäure getaucht wurden. An die Elektroden wurden Wasserstoff und Sauerstoff geleitet. Da aber die Spannung und der Strom der Brennstoffzelle zu gering waren, konnte sich die Brennstoffzelle nicht gegen Erfindungen wie den Elektrodynamo oder den Verbrennungsmotor durchsetzen.

Wilhelm Ostwald (1853-1932), Direktor des ersten Lehrstuhls für physikalische Chemie in Leipzig, erkannte jedoch schon 1887 das Potenzial von Groves Brennstoffzelle: "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..."

Seine Theorien bescheinigten der Brennstoffzelle einen Wirkungsgrad von bis zu 83% und lösten in den ersten 20 Jahren des 20. Jahrhunderts eine Welle von Konstruktionsvorschlägen aus. Die technische Entwicklung machte zu der damaligen Zeit jedoch keine großen Fortschritte, da man vor unlösbaren Werkstoffproblemen stand. Außerdem war die Wissenschaft noch nicht in der Lage, alle chemischen Vorgänge der Brennstoffzelle vollständig zu klären. Erste technische Verbesserungen der 20er Jahre, mit denen man u.a. die Korrosion der Elektroden in den Griff bekam, brachten Fortschritte. In den 60er Jahren wurde erstmals eine Brennstoffzelle an Bord von Satelliten des amerikanischen Raumfahrtprogramms und später sogar beim Apollo Mondflug eingesetzt. Kosten und der extreme Reinheitsgrad der benötigten Gasse spielten hierbei keine Rolle.

nach oben

Aufbau einer Brennstoffzelle

Grundstock des Ganzen ist das galvanische Element (Bezeichnung für eine elektrochemische Halbzelle, in der die freie Energie eines chemischen Vorgangs in freie elektrische Energie umgewandelt wird). Galvanische Elemente sind unterteilbar in:
- nicht regenerierbare Primärelemente wie Batterien
- regenerierbare Sekundärelemente wie Akkumulatoren (wieder aufladbar)
- Brennstoffzellen, bei denen die reagierenden Substanzen während der Reaktion zu und die Oxidationsprodukte abgeleitet werden, wodurch eine kontinuierliche Spannungserzeugung möglich ist. 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 gewonnen wird.

Sie besteht aus zwei katalytisch wirksamen, porösen und deshalb für die Reaktionsprodukte durchlässigen Metallelektroden (Platin, Nickel) oder metallbeschichteten Kohleelektroden, zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet (Phosphor- bzw. Schwefelsäure, Kalilauge, Salzschmelzen aus Alkalicarbonaten oder Alkalichloriden, ionenleitende keramische Feststoffe oder Polymere).

nach oben



Funktionsweise der Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEM-BZ)

Das bekannteste Beispiel für eine Brennstoffzelle ist die mit Wasserstoff und Sauerstoff betriebene PEM-BZ (englisch: PEM-FC Polymere Electrolyt Membrane Fuel Cell), oft fälschlicherweise als Knallgaszelle bezeichnet, mit Nafion als Membranmaterial.

Sie gehört zu den Niedertemperatur-BZ. Von außen wird unter Druck kontinuierlich Wasserstoff (H2) an die „Brennstoffelektrode“ (Anode), Sauerstoff (O2) an die „Oxidatorelektrode“ (Kathode) geführt. Die Wasserstoffmoleküle werden an der Anode in Wasserstoffionen (Protonen, H+) u. Elektronen (e-) zerlegt: 2 H2 => 4 H+ + 4 e-

Die Protonen wandern durch den Elektrolyten zur Kathode. Die Kathode wird durch Aufnahme der Protonen positiv gegenüber der Anode:O₂ + 4 H+ Es entsteht so zwischen den beiden Elektroden eine Spannung von etwa 1 Volt. Verbindet man beide Elektroden über einen äußeren Stromkreis, an dem ein elektrischer Verbraucher (z.B. Glühlampe oder Propeller) angeschlossen sein kann, so wandern die Elektronen über diesen von der Anode zur Kathode und leisten dabei elektrische Arbeit.

An der Kathode verbinden sich die Sauerstoffatome mit den Elektronen zu Sauerstoffionen. Die Sauerstoffionen können sich nun mit den Protonen verbinden, so dass H₂O (Wasser) entsteht.Die Gesamtreaktion 2H₂ + O₂ => 2H₂O + Energieentspricht der Knallgasreaktion, die durch räumliche Trennung von Oxidation des H₂ und Reduktion des O₂ in kontrollierter Form stattfindet. Aufgrund der geringen Spannung (1V), die eine einzelne Brennstoffzelle liefert, müssen mehrere Brennstoffzellen zu einer Brennstoffzellen-Batterie (Stack) in Reihe geschaltet werden.

nach oben

Anwendungsgebiete

Hier unterscheiden wir zwischen mobilen und stationären Anlagen. Unter mobile Anwendungsgebiete fällt die Forschung für Energiequellen für Laptops, Handys, Autos, Busse, usw.. Stationäre Anlagen sind z.B. Heizkraftwerke.

Mercedes Benz rüstet seit geraumer Zeit einige A-Klasse Modelle mit der Brennstoffzelle aus. Im Gegensatz zu BMW wird hier ein Elektromotor zum Antrieb verwendet. BMW verfolgt mit ihrem Modell eine andere Richtung. Der Wasserstoff wird hier in gekühlter Form (nahe des absoluten Nullpunktes) mitgeführt und nur die Bordelektronik von der Brennstoffzelle versorgt. Der Motor ist ein Wasserstoffverbrennungsmotor. Somit kann eine erheblich höhere Leistung (bis zu 260 PS) erzielt werden - damit der Fahrspaß nicht vergeht :-)

Toshiba plant die Markteinführung von verschiedenen tragbaren elektronischen Geräten für das Jahr 2004. Wie die Kyodo News berichten, sieht Toshiba seine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle in der Nähe der Serienreife. Mit einer Methanol-Patrone erreicht ein heutiges Notebook damit eine Betriebszeit von 10 Stunden. Nach dem Wechsel der Patrone ist das Notebook sofort wieder 10 Stunden betriebsbereit. Toshiba sieht darin große Vorteile vor allem für Anwender, die viel reisen. Folgerichtig hat sich Toshiba bereits mit den Verantwortlichen für die Flugsicherheit über den als unbedenklich eingestuften Transport von Methanol-Patronen im Flugzeug abgesprochen. (Quelle: Forum-Brennstoffzelle) nach oben