Die BrennstoffzelleVortrag von Christine Meußler im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", SS 02
Gliederung:
1. Anwendungen
2. Aufbau einer BrennstoffzelleEinführung: Galvanisches Element...
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 Stromerzeugung möglich ist.
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). Zwischen den beiden Elektrolyten befindet sich eine Membran:
Abb.1: allgemeiner Aufbau einer BZ (Copyright: C. Meußler)
3. Funktionsweise der Wasserstoff-Sauerstoff-BrennstoffzelleDas bekannteste Beispiel für eine Brennstoffzelle ist die mit Wasserstoff und Sauerstoff betriebene Wasserstoff-Sauerstoff-BZ, (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), 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 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 von Oxidation des H2 und Reduktion des O2 in kontrollierter Form stattfindet. Aufgrund der geringen Spannung (1V), die eine einzelne Brennstoffzelle liefert, müssen gewöhnlich viele Brennstoffzellen zu einer Brennstoffzellen-Batterie zusammen geschaltet werden.
Abb. 2:
Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle
4. Vor- und NachteileVorteile:
Nachteile:
5. GeschichtlichesDas Grundprinzip der BZ wurde 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
6. Weitere Typen von Brennstoffzellen
Tab.1: verschieden Typen von BZ. [1,2]
7. Ausblick: Brennstoffzellen in der ZukunftBrennstoffzellen sind im Gegensatz zu anderen Energie - Technologiezweigen 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 realistisch für die Zukunft. Fazit: BZ sind eine echte Alternative zu herkömmlichen Energieträgern und Hoffnungsträger für die Umwelt: Sie erzeugen weniger Schadgase, nutzen den Brennstoff sehr gut aus und sind leise.
Abb. 4: Miniatur-BZ [12]
8. Literatur
E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de |
