Brennstoffzelle
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, die die Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in nutzbare elektrische Energie umwandelt.
Technisch besonders bedeutsam ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Wasserstoff und Sauerstoff können durch Einsatz regenerativer Energien aus der Erdatmosphäre gewonnen werden. So kann z.B. Solarenergie genutzt werden, um den Wasserstoff mittels Elektrolyse aus Wasser zu gewinnen. Damit ist dieser Energiewandler einer der Hoffnungsträger für eine nachhaltige Energieerzeugung. Im Folgenden wird diese Brennstoffzelle beschrieben.
Geschichte
Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde bereits 1839 von Sir William Grove beschrieben, auf Grund unzureichender Materialien jedoch nicht umgesetzt und geriet in Vergessenheit. Erst in den 1950er Jahren wurden Brennstoffzellen als Nischenlösungen genutzt, vor allem in Raumfahrzeugen und U-Booten.
Funktionsprinzip
Zunächst sind Wasserstoff und Sauerstoff durch eine Membran getrennt. Der Wasserstoff wird katalytisch in Elektronen und Protonen aufgespalten. Die Protonen diffundieren durch die Membran, die Elektronen nehmen den 'Umweg' durch den elektrischen Verbraucher. Beide verbinden sich (im Allgemeinen auch katalytisch unterstützt) mit dem Sauerstoff auf der anderen Seite zu Wasser, wobei ein (wie großer?) Teil der chemischen Energie der Knallgasreaktion durch den Umweg der Elektronen als elektrische Energie nutzbar wird.
Die so erzeugte elektrische Spannung ist vergleichsweise gering. Daher besteht eine Brennstoffzelle für gewöhnlich aus vielen dicht gepackten Schichten dieser Membranen, wobei sich die Bereiche mit Wasserstoff und Sauerstoff abwechseln.
Brennstoffzellentypen
AFC (Elektrtolyt: Kalilauge) PEMFC (Proton-Exchange-Membran-Fuel-Cell) PAFC SOFC
Anwendungen
Mehrere Automobilfirmen (u.a. DaimlerChrysler, Ford, Honda) arbeiten an Autos, deren Treibstoff Wasserstoff ist, und die Brennstoffzellen zur Energieumwandlung sowie einen Elektromotor zum Antrieb nutzen. Die Motivation dazu findet sich wahrscheinlich in der Einsicht, dass die Erdölvorkommen der Erde begrenzt sind, und eine Fortsetzung des lukrativen Autogeschäfts in der "Zeit-nach-dem-Erdöl" wünschenswert ist. 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. Alle drei Alternativen (Druckflasche, flüssiger Wasserstoff, Metallhydrid) sind bislang nicht ausgereift.
Ein möglicher alternativer Treibstoff ist Methanol, von dem 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 katalytischen reaktion in der Brennstoffzelle zugeführt. So wird zum einen Strom gewonnen, zum anderen kann die enstehende 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). Die Firma Vaillant hat gerade in einem europaweiten Feldversuch über 30 solche Geräte mit einer Leitstelle vernetzt, um ein erstes "virtuelles Kraftwerk" zu schaffen.
Siehe auch: Wasserstoff, Ölkrise, Wasserstoffherstellung, Wasserstoffspeicherung
Weblinks
- http://strombasiswissen.bei.t-online.de/SB131-04.htm
- Wasserstoff und Brennstoffzellen Informationssystem