Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 16.02.17


Brennstoffzellen

Von Christine Meußler und Juliane Fleissner im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - PC und AC", SS 02 und WS 14/15


Gliederung:


Einstieg: Die fossilen Brennstoffvorkommen gehen zur Neige und damit werden auch die Preise für Benzin, Diesel etc. immer weiter steigen. Aber das ist uns und unserer Wirtschaft zuzuschreiben. Überall in der Technik schreiten wir voran, sei es bei der Entwicklung vom Schwarz-Weiß-Röhrenfernseher bis hin zum 3D-HD-Plasmafernseher oder bei der Entwicklung der Mobiltelefone, die oft leistungsstärker sind als mancher Computer. Nur unsere Fahrzeugantriebe funktionieren noch nahezu genauso, wie vor 130 Jahren. Eigentlich ist es auch hier an der Zeit voranzuschreiten und auf einen alternativen Antrieb oder Brennstoff umzusteigen. Wasserstoff als Brennstoff ist doch eigentlich eine Alternative, die uns bereits lange bekannt ist und großes Potential besitzt. Tatsächlich werden schon einige Brennstoffzellentypen eingesetzt. Wo diese bereits Anwendung finden, wie diese funktionieren und welche Vor- und Nachteile sie uns bringen soll im Folgenden geklärt werden.


1 Anwendungen

  • in Kleineinheiten zur Strom- und Wärmeversorgung von Haushalten

  • als Kraftwerke (stationäre Energieversorger) für Wohnanlagen und öffentliche Gebäude (z.B. Rhön-Klinikum in Bad Neustadt)

  • Brennstoffzellen als Fahrzeug-Antrieb (z.B. necar 5 von Daimler Chrysler)

  • Akku-Ersatz in Handys, Handyladestationen, Laptops u. anderen tragbaren Elektrogeräten

  • in der Raumfahrt, wo das gebildete Wasser als Trinkwasser für die Astronauten verwendet wird

  • beim Militär (z.B. bei der Marine in U-Booten zur Energiegewinnung)


2 Aufbau einer Brennstoffzelle

Prinzipiell sind Brennstoffzellen nichts geringeres, als eine Galvanische Zelle, die aus zwei Galvanischen Elementen besteht. Als galvanisches Element bezeichnet man eine elektrochemische Halbzelle, in der die freie Energie eines chemischen Vorgangs in freie elektrische Energie umgewandelt wird. Galvanischen Zellen können unterteilt werden in:

  • nicht regenerierbare Primärelemente (z.B. 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 Stromerzeugung möglich ist.

Somit ist die Brennstoffzelle ein galvanisches Element, in dem durch elektrochemische Oxidation einer leicht oxidierbaren Substanz (z.B. Wasserstoff, Methanol) mit Sauerstoff („elektrochemische Verbrennung") elektrische Energie erzeugt 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, Ionen leitende keramische Feststoffe). Die beiden Elektrolytlösungen sind durch eine Membran voneinander räumlich getrennt.


Abb. 1: Allgemeiner Aufbau einer Brennstoffzelle


3 Funktionsweise der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle

Das bekannteste Beispiel für eine Brennstoffzelle ist die mit Wasserstoff und Sauerstoff betriebene Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle (oft fälschlicherweise als Knallgaszelle bezeichnet): PEM-BZ, (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, Polymermembran BZ) mit Nafion als Membranmaterial. Sie gehört zu den Niedertemperatur-BZ.

Von außen wird unter Druck kontinuierlich Wasserstoff (H2) an die „Brennstoffelektrode“ (Anode) und Sauerstoff (O2) an die „Oxidatorelektrode“ (Kathode) herangeführt. Die Wasserstoffmoleküle werden an der Anode in Wasserstoffionen (Protonen, H+) u. Elektronen (e-) zerlegt:

2 H2 4 H+ + 4 e-

Die Protonen strömen durch den Elektrolyten und die Membran zur Kathode, die Elektronen laden die Anode negativ auf. Die Sauerstoffmoleküle der Kathode werden durch Aufnahme von Elektronen in Sauerstoffionen(O2-) zerlegt, wobei sich die Kathode positiv auflädt:

O2 + 4 e- 2 O2-

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 ist, so fließen die Elektronen über diesen von der Anode zur Kathode und leisten dabei elektrische Arbeit. An der Kathode verbinden sich die Wasserstoff- und Sauerstoffionen zu Wasser, das kontinuierlich aus dem Elektrolyten abgetrennt wird. Die Gesamtreaktion:

2 H2 + O2 2 H2O + E

entspricht der Knallgasreaktion, die, durch räumliche Trennung der Oxidation des H2 von der Reduktion des O2, in kontrollierter Form stattfindet.

Aufgrund der geringen Spannung (1V), die eine einzelne Brennstoffzelle liefert, müssen für gewöhnlich mehrere Brennstoffzellen zu einer Brennstoffzellen-Batterie zusammen geschaltet werden.


blau: Sauerstoffmolekül orange: Wasserstoffmolekül rot: Elektron

Abb. 2: Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle
Erklärung PowerPoint


4 Vor- und Nachteile

Vorteile Nachteile
  • Keine beweglichen Motorteile
    kein „Energieverlust“ durch Reibung
    kein Verschleiß (wartungsarm)
  • Effizient durch direkte Energieumwandlung in elektrischen Strom
    hoher Wirkungsgrad (43-68 %)
  • Umweltschonend
    Wasser als Abgas
  • Längere Lebensdauer als eine Batterie und schneller „betankt“ (da teilweise nur der Wasserstofftank ausgetauscht wird; Elektroautos haben zum Teil mehrere Stunden Aufladezeit)
  • Niedrige Betriebstemperatur
    Niedertemperatursystem: T≈ 60-120°C
  • keine Lärmbelästigung
  • Einsparen fossiler Brennstoffe
  • gutes Anfahrverhalten / schnelle Reaktion auf Lastenwechsel
  • relativ teuer
    Autos noch keine Massenproduktion
  • Heterogene, extrem flexible Membran
    • Gasaustausch durch Membran kann nicht vollständig verhindert werden
    • hohe Flexibilität erschwert Verarbeitung
    • um leitfähig zu bleiben, muss die Membran immer feucht gehalten werden (an neuen Membranen ohne diese Nachteile wird geforscht)
  • Elektroden: sehr empfindlich gegenüber CO im Brenngas
    (kann mit anderen Katalysatoren minimiert werden)

5 Aus der Geschichte

Das Grundprinzip der BZ wurde bereits 1839 von William Grove entdeckt. Die technische Realisierung und Nutzung scheiterte jedoch an erheblichen Materialproblemen. Nach 1920 gelang die Entwicklung von Gasdiffusionselektroden mit Platin als Katalysatormaterial, die einen Niederdruck-Temperaturbetrieb ermöglichten.

Die Arbeiten von F.T. Bacon in den 50’er und 60’er Jahren zur alkalischen BZ bildeten die Grundlage zur Nutzung in der Raumfahrt bei der ersten Mondlandung.


Abb. 3: W. Grove und seine Ur-Brennstoffzelle [20]


6 Weitere Typen von Brennstoffzellen

Tab.1: verschieden Typen von BZ. [1,2]

  Zelltyp Betriebs-temperatur Elektrolyt Brennstoff Anwen-
dung
Wirkungs-grad
Nieder-temperatur-BZ Polymer-Elektrolyt-BZ(PEMFC) 60 - 90 °C Polymer-membran Wasserstoff, Reformergas (Methanol) Raum-, Schifffahrt, Elektroauto, Blockheiz-kraftwerke 50 - 60 %
Alkalische BZ (AFC) 50 - 90 °C Kalilauge Wasserstoff Raumfahrt, Schiffahrt 50 - 65 %
Mittel-temperatur-BZ Phosphor-säure-BZ (PAFC) 200 °C Phosphor-säure Wasserstoff, Reformgas 1-100 MW -Kraftwerk 35 - 40 %
Hoch-temperatur-BZ Karbonat-schmelzen-BZ (MCFC) 650 °C Calcium-carbonat Wasserstoff, Methan 1-100 MW - Kraftwerk,        50-500 kW- Blockheiz-kraftwerk 35 - 40 %
Fest-keramik-BZ (SOFC) 850 - 1000 °C Calcium-carbonat Wasserstoff, Methan, Kohlegas 1-100 MW - Kraftwerk,        50-500 kW- Blockheiz-kraftwerk 50 - 60 %

Abschluss und Ausblick. Brennstoffzellen sind im Gegensatz zu anderen Energie-Technologiezweigen noch extrem ausbaufähig. Natürlich überwiegen zur Zeit Nachteile wie beispielsweise zu hohe Kosten in der Herstellung. Aufgrund ständiger Forschung sind Effizienzsteigerungen (Wirkungsgrad, Miniaturisierung) und Kostensenkungen abzusehen. Momentan haben BZ einen Wirkungsgrad von ca. 30 %. Ein Benzinmotor liefert 20 - 30%. 40 bis 60% wäre für BZ wünschenswert und für die Zukunft als realistisch zu erachten.

Somit sind BZ eine echte Alternative zu herkömmlichen Energieträgern und gelten als große Hoffnungsträger für die Umwelt: Sie erzeugen weniger umweltschädliche Gase, weisen einen hohen Wirkungsgrad auf und sind dazu noch extrem leise. Erste Prototypen von brennstoffzellbetriebenen Fahrzeugen sind bereits heute im Einsatz. Selbst Brennstoffzellbusse fahren schon regelmäßig in manchen Städten und auch Tankstellen (z.B. Total) wollen ihre Vertriebsstellen mit grünem Wasserstoff, aus Hybridkraftwerken (eines z.B. in Prenzlau), beliefern. Somit sind schon die ersten Weichen gestellt und es ist zu hoffen, dass von nun an Jahr für Jahr mehr Brennstoffzellenfahrzeuge auf unseren Straßen zu sehen sind, vorausgesetzt die momentan noch bestehenden Nachteile können weitestgehend minimiert werden.

Hier befand sich ein Bild, das aufgrund Urheberrechtseinschränkungen nicht verwendet werden darf. Es war darauf eine Miniatur-BZ zu sehen [12].


Literatur

  1. Gülzow, E., Brennstoffzellen – ein Überblick über den Stand der Technik, Phys. B. 53, Nr. 1, 1997.
  2. Kordesch, Karl  V.; Simader, Günther R.:  Fuel Cell and their Applications, VCH, 1996.
  3. Beck, Wolfgan; Killian, Ludwig: Chemie3, Oldenburg-Verlag, München 1996.
  4. Grunwald, Bernd; Scharf, Karl-Heinz: Elemente Chemie Bayern 11, Ernst Klett Schulbuchverlag, Stuttgart, 1994.
  5. Borucki, Hans; Fischer, Wilhelm: Schüler Duden Chemie, Dudenverlag, Mannheim 1995.
  6. Linsmeier, Klaus-Dieter: Brennstoffzelle: Kunstvolle Membranen, Spektrum der Wissenschaft, September 2001, S. 66-69.
  7. Baier, W.: Siemens Standpunkt, Strom mit Hilfe der Elektrochemie: sauber, leise und noch sehr teuer, Nov. 1993.
  8. http://www.sueddeutsche.de/index.php?url=wissenschaft/dosier/04789, 10.07.2002 (veraltet)
  9. http://www.sueddeutsche.de/index.php?url=wissenschaft/dosier/04795, 10.07.2002 (veraltet)
  10. http://www.psrc.usm.edu/mauritz/nafion.html,10.07.2002 (veraltet)
  11. http://www.rhoen-klinikum-ag.com/konzern/index.asp, 13.07.2002 (veraltet)
  12. P. Berger, H2Tec, Apr. 2000, S.17.
  13. Reiche, A.; Haufe, S.; Chemie in unserer Zeit, Heft 38, Wiley-VCH-Verlag, Weinheim 2004, 400-411, (Abb. 1)
  14. http://www.diebrennstoffzelle.de/zelltypen/pemfc/anwendung.shtml, 02.10.14
  15. http://www.fz-juelich.de/portal/DE/Forschung/EnergieUmwelt/Brennstoffzellen/SOFC/node.html, 05.10.14
  16. http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/
    energiewende-dank-wasserstoff-wind-im-tank-a-793840.html, 14.10.14
  17. http://www.unendlich-viel-energie.de/mediathek/grafiken/
    verkuepfung-von-erneuerbarem-stromsektor-und-verkehr, 14.10.14
  18. http://www.hydrogeit.de/wasserstoff-motor.htm, 14.10.14
  19. http://www.hydrogeit.de/vergleich.htm, 14.10.14
  20. https://de.wikipedia.org/wiki/William_Grove , 16.02.2016

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