Brennstoffzelle

Der Erfinder: Sir William Robert Grove entdeckte 1839 die prinzipielle Arbeitsweise der heutigen Brennstoffzelle. In seiner sogenannten "GASKETTE", eine Kombination von Wasserstoff- und Sauerstoffumspülten Platinenelektronen in Schwefelsäure, erzeugte er eine elektrische Spannung von etwa einem Volt. Das Hauptproblem bei dieser Konstruktion war die mangelnde Stabilität der verwendeten Werkstoff. Als dann Werner von Siemens den Drehstrohmgenerator entwickelte, fiel die Brennstoffzelle komplett in den Hintergrund. Als man daraufhin in den 60er Jahren aus militärischem Zweck und für die Raumfahrt auf die Brennstoffzelle zurückgriff, weil man auf geringe Größe und Gewicht, anstatt auf den Preis geachtet hat. Heutzutage wird international an der Entwicklung der Brennstoffzelle gearbeitet. Die Brennstoffzelle erlebt momentan sozusagen eine Renaissance.



Aufbau und Funktion:

Brennstoffzellen kommen ohne Turbinen und Generatoren aus. Sie wandeln chemische Energie auf direktem Weg in elektrische Energie um.
Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden und dem Elektrolyten. Die Anode wird mit dem Brennstaoff (z.B. Wasserstoff) und die Kathode mit dem Oxidationsmittel (Sauerstoff) versorgt, der Elektrolyt verbindet die beiden Elektroden miteinander. An der Anode (Minuspol) wird der Brennstoff oxidiert. Die dabei abgegebenen Elektronen fließen über den äußeren Stromkreis zur Kathode (Pluspol). Hier wird das Oxidationsmittel durch Elektronenaufnahme reduziert. Durch den Elektronenzufluss kann im Äußeren Stromkreis Arbeit verrichtet werden. Der Ladungstransport in der Brennstoffzelle wird durch die Ionenbewegung im Elektrolyten realisiert. Eine Brennstoffzelle liefert also wie eine Batterie oder ein Akkumulator elektrische Energie. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass bei der Brennstoffzelle die Elektroden selbst nicht chemisch umgewandelt werden. Bei ständiger Brennstoffzufuhr kann kontinuierlich elektrische Energie entnommen werden. Eine einzelne Zelle liefert eine Gleichspannung von weniger als 1 Volt. Will man technisch nutzbare Spannung erzielen, schaltet man zahlreiche Einzelzellen in Serie. Aus Einzelzellen werden sogenannte Zellenstapel (Stacks) sandwichartig aufgebaut. Technisch erreichen solche Stacks Spannungen bis etwa 200 Volt.

Brennstoffzellen - Blockheizkraftwerke:

Die Kraft - Wärme - Kopplung, die gleichzeitige Bereitstellung von Strom und Wärme, ist in Form von Blockheizkraftwerken bereits ein stetig wachsender Markt. Der Leistungsbereich reicht hier von einigen kW zur Versorgung von Wohneinheiten bis zu mehreren MW für beispielsweise Krankenhäuser. Brennstoffzellen werden mit PAFC - Brennstoffzellen betrieben. Sie werden mit Erdgas betrieben und erzeugen bis zu
200 kW Wärmeleistung. Der elektrische Wirkungsgrad beträgt 40% und der thermische Wirkungsgrad beträgt bis zu 45%, so dass die Energie zu 85% ausgenutzt wird. Die wesentlichen Systemkomponenten für ein PAFC - Blockheizkraftwerke sind: Reformer mit Konverter, Brennstoffzelle, Wärmetauscher und Wechselrichter. Im Reformer wird das vorgereinigte Erdgas mit überhitztem Wasserdampf vermischt und katalytisch bei etwa 800°C zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgesetzt. Das Kohlenmonoxid reagiert dann im Konverter an einem Katalysator bei etwa 250°C mit Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlendioxid. Dieses Prozeßgas wird kontinuierlich der Brennstoffzelle zugeführt.
Die Phosphorsäure - Brennstoffzellen haben bereits einen hohen Entwicklungsstand erreicht. Ziel ist es, die hohen Kosten von derzeit 5000DM auf 2000DM zu senken, um die Wirtschaftlichkeitsgrenze zu erreichen.

Die Verschiedene Typen:

Alkalische Brennstoffzelle -> wird besonders im Weltraum eingesetzt, Sauerstoff und Wasserstoff werden in Tanks flüssig mitgeführt. Es hat nur 1/10 von dem Gewicht das Batterien haben.
Polymerelektrolytmembram Brennstoffzelle -> diese Brennstoffzelle wird häufig bei Automobilen eingesetzt. Sie hat die zwei- bis dreifache Effizienz gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren.
Karbonatschmelze Brennstoffzelle -> sie hat einen sehr hohen Wirkungsgrad von 50% bis 60%. Sie ist allerdings sehr teuer.
Oxidkeramische Brennstoffzelle -> sie hat niedrige Systemkosten.
Direktmethanol Brennstoffzelle -> sie ist die absolut neuste Brennstoffzelle und wird für den mobilen Einsatz benötigt.

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Brennstoffzellen für die Automobilindustrie:

Die Brennstoffzelle ist eine alternative Antriebsart für das Auto. Mit der Brennstoffzelle können anstatt Verbrennungsmotoren Elektromotoren Verwendet werden. BMW hat unter anderen schon ein Auto mit Brennstoffzelle zum testen entwickelt. Das Auto hat einen Tank der 140 Liter fast und dieser reicht für 400 Kilometer. Das Problem mit dem Platz für die 140 Liter löst BMW so, dass sie das Gas extrem kühlen und dadurch verflüssigen. Dadurch muss der Tank sehr gut isoliert sein, damit die extreme Temperatur von - 253 °C nicht überstiegen wird. Der Tank besteht aus 70 lagen Aluminiumfolie im Wechsel mit Glasfiebermatten. Aber jedoch die beste Isolierschicht kann verursachen dass siech der Tankinhalt am Tag um 1°C erwärmt. Also muss das Auto regelmäßig gefahren werden, den der Wasserstoffverbrauch senkt den Druck.
Mercedes hat ebenfalls ein Testauto entwickelt, dass technisch weiter ist. Das Auto "NECAR II" wird nicht mit flüssigem Wasserstoff sondern mit komprimiertem Gas betankt. Die Experten der Automobilbauer sind der Meinung, dass die Brennstoffautos schwer im kommen sind, da die Autos Strom und Wasser produzieren. Jedoch keine Schadstoffe. Das Prinzip ist schon länger bekannt als das des Verbrennungsmotors. Jedoch immer noch wesentlich teurer. Im "Necar II" kommen
300 Brennstoffzellen zum Einsatz. Eine solche Zelle liefert 0,6 Volt. Somit liefern alle 300 Zellen eine Leistung von 33 kW. In Autos werden die PEM - Brennstoffzellen verwendet. Diese ist folgendermaßen aufgebaut: Eine Protonenleitende Folie aus Kunststoff, die als Elektrolyt dient. Graphitpapier, das als Elektrode dient und Platin, als Katalysatorersatz.


Vor- und Nachteile:

Nachteile:
- Kosten von derzeit 10 000 DM/kW sollten auf
50 - 200 DM/kW.
- Das Gewicht und Volumen der Brennstoffzelleneinheit sollte reduziert werden.
- Die Infrastruktur sollte ausgebaut werden (Tankstellen)

- Das Auto sollte Akzeptiert werden.


Vorteile:
- Keine schädlichen Abgas - Eigenproduzierend