Brennstoffzelle
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, die die Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in nutzbare elektrische Energie umwandelt.
Ökologisch besonders bedeutsam ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Wasserstoff und Sauerstoff können durch Einsatz regenerativer Energien bzw. aus der Erdatmosphäre gewonnen werden. So kann z.B. Solartechnik genutzt werden, um den Wasserstoff mittels Elektrolyse aus Wasser zu gewinnen. Damit ist dieser Energiewandler einer der Hoffnungsträger für eine nachhaltige Energieerzeugung. Wie lange es dauern wird, bis diese Technik ausgereift ist, lässt sich nicht vorhersagen.
Geschichte
Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde bereits 1838 von Christian Friedrich Schönbein entdeckt, indem er zwei Platindrähte in einer Elektrolytlösung (wahrscheinlich Schwefelsäure) mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff umspülte und zwischen den Drähten eine Spannung feststelle. 1839 veröffentlichte Schönbein diese Ergebnisse. Im selben Jahr schrieb Sir William Grove eine Notiz über das "batterisierte" Knallgas und wand diese Erkenntnisse in Zusammenarbeit mit Schönbein in mehreren Versuchen an. Mit der Erfindung der Dynamomaschine durch Werner von Siemens geriet die Brennstoffzelle zunächst in Vergessenheit, da die Dynamomaschine in Verbindung mit der Dampfmaschine relativ einfach und unkompliziert bezüglich Brennstoff und Materialien war. Ihre Renaissance erlebte die Brennstoffzelle ab den 1930er Jahren mit der beginnenden Raumfahrtforschung. Sie gewinnt seitdem kontinuierlich an Bedeutung. Auf Island wird sie im Zuge der eingeführten Wasserstoffwirtschaft bald flächendeckend eingesetzt.
Aufbau
Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, die durch eine Membran oder Elektrolyt voneinander getrennt sind. Die Anode (Pluspol) wird mit dem Brennstoff umspült (z.B. Wasserstoff, Methan, Methanol, Glukoselösung), die Kathode (Minuspol) mit dem Oxidationsmittel (z.B. Sauerstoff, Wasserstoffperoxid, Kaliumthiocyanat).
Die verwendeten Materialien sind unterschiedlich, siehe Brennstoffzellentypen.
Die Elektrodenplatten / Bipolarplatten bestehen meist aus Metall, Nickel, oder Nano-Carbon-Röhrchen. Zur besseren Katalyse sind sie mit einem Katalysator (z.B. Platin oder Palladium) beschichtet, dadurch wird eine hohere Effizienz erreicht.
Als Elektrolyten können beispielsweise gelöste Laugen oder Säuren, Alkalikarbonatschmelzen, Keramiken oder Membrane dienen.
Die gelieferte Spannung liegt theoretisch bei 1,23 Volt. Sie ist vom Brennstoff und Qualität der Zelle abhängig. Um eine hohere Spannung zu erhalten, werden mehrere Zellen zu einem sog. Stack in Reihe geschaltet.
Bei der Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEMFC) ist der Aufbau wie folgt: 1) Bipolarplatte als Elektrode mit eingefräster Gaskanalstruktur, z.B. aus leitfähigen Kunststoffen (durch Zugabe z.B. von Carbon-Nanoröhrchen elektrisch leitend gemacht); 2) Poröse Carbon-Papiere; 3) Reaktivschicht, meist auf die Ionomermembran aufgebracht. Hier stehen die 4 Phasen Katalysator (Pt), Elektronenleiter (Ruß oder Carbon-Nanomaterialien), Protonenleiter (Ionomer) und Porosität miteinander in Kontakt; 4) Protonenleitende Ionomermembran: gasdicht und nicht elektronenleitend; 5) wie 3); 6) wie 2); 7) wie 1)
Funktionsablauf
Der Brennstoff (z.B. Wasserstoff) wird an der Anode katalytisch in Kationen (z.B. positiv geladene Wasserstoffionen) umgewandelt. Dies geschieht unter Abgabe von Elektronen an die Anode. Während die Elektronen über einen elektrischen Verbraucher (z.B. Glühlampe) zur Kathode fließen, wandern die Kationen durch den Elektrolyt zur Kathode. An der Kathode wird das Oxidationsmittel (z.B. Sauerstoff) durch Aufnahme der Elektronen zu Anionen (z.B. negativ lgeladene Sauerstoffionen)
Brennstoffzellentypen
- AFC (Alkaline Fuel Cell) Elektrolyt: Kalilauge
- DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) Direktmethanol-Brennstoffzelle
- PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)auch (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)
- PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)
- SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)
- MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)
Anwendungen
Die modernsten deutschen U-Boote werden durch Brennstoffzellen angetrieben, gebaut bei den Nordseewerken Emden in Kooperation mit HDW. Die Auslieferung dieser U-Boot Klasse 212 erfolgt seit 2003.
(siehe http://www.hdw.de )
Mehrere Automobilfirmen (u.a. DaimlerChrysler, Ford, Honda, Opel) forschen seit zum Teil 20 Jahren an Automobilen, deren Treibstoff Wasserstoff ist, und die Brennstoffzellen zur Energieumwandlung sowie einen Elektromotor zum Antrieb nutzen. Ein Beispiel sind die Fahrzeuge NECAR 1 bis NECAR 5 von DaimlerChrysler).
Die Motivation dazu findet sich wahrscheinlich in der Einsicht, dass die Erdölvorkommen der Erde begrenzt sind (Ölkrise) und eine Fortsetzung des lukrativen Autogeschäfts in der "Zeit-nach-dem-Erdöl" wünschenswert ist. Förderlich für die erheblichen Anstrengungen in der Forschung war insbesondere der "Zero emission act", ein Gesetz in den USA, das vorschreibt, dass zukünftig Autos abgasfrei fahren sollen.
Für das Jahr 2003 war vorgesehen, dass 10% aller neuzugelassenen Fahrzeuge in Kalifornien diesem Gesetz unterliegen sollten. Unter dem Präsidenten der USA George W. Bush wurde dieses Gesetz weiter in die Zukunft verschoben.
Ein Nebeneffekt ist, dass die Emissionen vom Auto (Zero Emission Vehicle) zu den Stellen verlagert werden, wo der Wasserstoff hergestellt wird. Als Folge erwartet man eine Verbesserung der Luftqualität in Großstädten.
Die bislang nur ansatzweise gelösten Probleme sind nicht nur, die Größe und das Gewicht der Brennstoffzelle zu reduzieren, sondern auch, geeigneten Treibstoff bzw. eine geeignete Lagerung desselben zu finden. Wasserstoff selbst ist zwar ein geeigneter Treibstoff; er lässt sich allerdings nur schwer in einer Menge, die ein Auto etwa 500 km weit bringt, kompakt im Auto lagern.
Drei Alternativen (Druckflasche, flüssiger Wasserstoff, Metallhydrid) sind zur Serienreife entwickelt.
Eine weitere Möglichkeit um Wasserstoff zu speichern sind Kohlenstoffnanoröhren. Das sind Röhrchen, die aus einem Gitter von Kohlenstoffatomen bestehen und theoretisch unendliche Faserlängen bilden können. Füllt man einen Tank mit diesen (heute noch sehr teuren Fasern) so kann man eine Wasserstoffmenge speichern, die ein Elektroauto ca. 8.000 km (achttausend km) weit fahren lässt. Nelly Rodriguez und ihren Kollegen von der Northeastern University in Boston (USA) ist es mit dieser Technik gelungen, das Dreifache ihres eigenen Gewichts an Wasserstoff zu speichern. (New Scientist, Nr. 2061, S. 20).
Mögliche alternative Treibstoffe sind Ethanol, Methanol oder andere Kohlenwasserstoffe, von denen kurz vor Gebrauch der Wasserstoff abkatalysiert wird. Dieses Verfahren erzeugt jedoch nennenswerte Mengen an CO2, was die ansonsten perfekte Umweltverträglichkeit der Brennstoffzelle einschränkt.
Eine der wichtigsten stationären Anwendungen wird mit Brennstoffzellen-Heizgeräten voraussichtlich in den kommenden Jahren marktreif werden. Bei diesen Geräten wird Erdgas durch einen Reformer zu Wasserstoff umgewandelt und der Brennstoffzelle zugeführt. So wird zum einen Strom gewonnen, zum anderen kann die entstehende Abwärme für die Brauch- und Heizwasser-Erwärmung verwendet werden. Ziel der dezentralen Strom- und Wärmeerzeugung ist insbesondere die Vermeidung von Leitungsverlusten (bis zu 40 % bei Hochspannungsmasten).
Weblinks
- Diplomarbeit und Informationen zur Brennstoffzelle in der Automobilindustrie
- Wasserstoff und Brennstoffzellen Informationssystem (hyweb.de)
- kommerziell aufbereitete Information von hyweb.de
Siehe auch: Wasserstoff, Ölkrise, Wasserstoffherstellung, Wasserstoffspeicherung