Brennstoffzellenreferat (interene Bezeichnung: Proµ) von Aphex

Einleitung

- Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle als Einsatz für den Verbrennungsmotor und als stationäres Blockheizkraftwerk ist ein hochaktulles Forschungs- und Entwicklungsthema
- CO2-Konzentration hat seit Beginn der Industrialisierung um 30% zugenommen, ca. 35 Mio Fahrzeuge in Deutschland, CO2-Ausstoß soll 1997 bis 2010 um 15% zunehmen bei 23% mehr Fahrleistung und beträgt jedes Jahr ca. 900 Mill.Tonnen, - Prognose für das Jahr 2030: Verdoppelung der zugelassenen Kraftfahrzeuge weltweit

 (dazu Folie 1!)

- Vor diesem Hintergrund muss die Umweltverträglichkeit für Fahrzeuge aber auch konventionelle Kraftwerke erhöht bzw. die CO2-Emissionen reduziert werden
- Desweiteren gehen konventionelle Ressourcen wie zB. der vor allem für das Benzin entscheidene Grundstoff Erdöl mit ansteigendem Verbrauch in absehbarer Zeit zu Ende
- könnte Lösung für diese Probleme sein
- BZ hat sehr hohen Wirkungsgrad, ist nahezu vollkommen sauber, Wasserstoff , Energieträger der
Brennstoffzelle das am meisten auf der Welt vorkommende chemische Element

Geschichtliche Entwicklung

- Sir William Grove entdeckt 1839 das der Brennstoffzelle zugrundeliegende chemische Reaktionsprinzip, Verbrennungsmotor noch gänzlich unbekannt
- Baut 1842 den ersten funtioniernden Versuchsaufbau der genug Spannung für eine Elektrolyse lieferte, seine Erkenntnisse wurden aber nicht besonders beachtet und weiter erforscht
- F. T. Bacon entwickelt 1949 den Grundtyp der H2/O2 Brennstoffzelle in der Kalilauge
- 1966 wird die Bacon-Zelle im Apollo-Mondprogramm als Strom- und Brauchwassererzeuger eingesetzt
und erzeugt 1kW (0,6l Trinkwasser pro kWh)

Aufbau und Funktion

- BZ ist galvanisches Element aus Wasserstoff und Sauerstoff wird elektrochemisch direkt elektrischer Strom erzeugt
- grundlegende chemische Reaktion ist 2H+ O2H2O + elektr. Energie + Wärme
- Erklärung anhand der PEM oder PEMFC- Brennstoffzelle:
- Aufbau: - in der Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und Sauerstoff mit einem protonenleitenden Elektrolyten zu einfachem

Wasser

- Die BZ setzt sich aus 2 Platinelektroden (Anode und Kathode) und einer Elektrolytenmembran(soll Wasserstoff und Sauerstoff getrennt halten, um eine Knallgasreaktion zu vermeiden) zusammen

- Folie 2!:

An die Anode wird Wasserstoff (Katalysator auf Elektrolytenmembran führt ihn aus molekularen in den atomaren Zustand geführt, da ihm nur so Elektronen entzogen
werden können) geleitet
- Katalysator spaltet Elektronen vom Wasserstoff ab und diese werden dann dem Stromkreis des Verbrauchers zugeführt
Wasserstoff wird positiv geladen, die entstanden Wasserstoff-Protonen diffundieren durch die Elektronenmembran und reagieren mit dem Sauerstoff und den aus dem
Stromkreis vom Sauerstoff aufgenommenen Elektronen zu Wasser, der in Form von Wasserdampf abgegeben wird
- Hierbei muss der Wasserstoff erst zB. aus Wasser erzeugt werden, der Sauerstoff wird der Luft entnommen

Verschiedene BZ-Typen

Folie 3!

- PEMFC oder PEM: siehe Aufbau, hat eine Betriebstemperatur von 20-80°C, ist die ausgereiftestete BZ, BMW(Clan Energy), DaimlerChrysler(Necar-Projekt), u.a. (Toyota, Mazda, Honda, Nissan, Opel, Renault, Citroen, Peugot, Ford und Volvo mit VW ) engagieren sich hauptsächlich in diesem Bereich, da er als bester für einen Antrieb eines Fahrzeugs gilt und somit die Hoffnung der Automobilindustie ist

- SOFC: Die Elektrolytenmembran dieser BZ besteht aus Zirkonoxid, welche erst bei 800 °C für Sauerstoffionen leitend wird 800-950 °C Betriebstemperatur
Ist nicht vollkommen emmissionsfrei da hier Wasserstoff, Sauerstoff Kohlenmoxid zu Wasser und Kohlendioxid umgewandelt werden ist aber vergleichsweise  umweltverträglich, hierbei kann die hohe Abwärme auch zum Stromerzeugen durch eine nachgeschaltete Gasturbine genutzt werden
geplanter Einsatzbereich: dezentrale kleine Anlagen (Blockheizkraftwerke) von denen jede 200kw erzeugt und einen Gesamtwirkungsgrad von bis zu 90% erreichen

- AFC: Betriebstemperatur bei 80_C, kam in dem Apollo-Programm als Ergebnis des Geminiprojekts zur Erzeugung des Stroms für das Bordnetz und Trinkwasseraufbereitung des Raumschiffs zum Einsatz

- MCFC: Betriebstemperatur: 650_C, erzeugt derzeitig in der Erprobungsphase bis zu 2MW Strom erzeugt, da sie eine hohe Abwärmetemperatur hat ist sie auch für
Nachschaltungsprozess geeignet, Probleme durch Elektrolytverluste und Korrision, gute Chancen auf 60%

- PAFC: erst seit kurzem in der Forschung, möglicher Einsatzbereich ebenfalls Blockheizkraftwerke, Weiterentwicklung der AFC

Blockheizkraftwerk: Der Wasserstoff wird hierbei aus einem Prozeßgas (Erdgas und Wasserdampf) auf chemischen Wege bei einer Temperatur um 800°C in der Brenngasaufbereitung des BHKWs erzeugt(Reformierung) , die Wärme wird der Brennstoffzelle durch einen Kühlkreislauf direkt entnommen und dem Nahwärmenetz zugeführt, der erzeugte Gleichstrom wird vor der Einspeisung durch einen

Inverter in Wechselstrom umgewandelt

Gewinnung und Sicherheit von Wasserstoff

- verschiedene Möglichkeiten der Gewinnung: Wassertoffgewinnung aus Wasser durch Elektrolyse (Energie zur Elektrolyse aus regenerativen Energiequellen) und
Methanol; Wasserstoffgewinnung durch Methanol soll in mobilen Systemen zum Einsatz kommen in diesen aus Methanol direkt Wasserstoff erzeugt werden man braucht keinen Speicherplatz für den Wasserstoff
- Sicherheit: da Wasserstoff in der freien Natur nach oben und sehr schnell abbrennt sowie in besonderen Behältern aufbewahrt wird, Studien aus dem Jahr 1998 belegen, dass Wasserstoff äußerst sicher ist

[Vor- und] Nachteile

[Vorteile:

- effiziente Energieausnutzung mit hohem _
- nahezu emissionsfrei
- vergleichsweise leise und vibrationsarm
- Verfügbarkeit des Wasserstoffs unerschöpflich]

Nachteile:

- gegenwärtig noch zu teuer
- hoher Platzbedarf und Gewicht sehr hoch
- keine nennenswerte Infrastruktur
- geringe Speicherdichte
- benötigt eigene hochkomplexe Zapfsäulen und hohem Explosionsschutz

Zukunftsausichten

- früheste Markteinführung der Brennstoffzelle für Fahrzeuge nicht vor 2005
- kostet derzeit noch das 10 bis 20fache wie Verbrennungsmotoren darf aber letztendlich teurer sein, wenn dieser Nachteil durch günstige Kraftstoffkosten aufgehoben werden kann
- wird in der Zukunft vielleicht sogar als Energielieferant für Laptops und Mobiltelefone eingesetzt
- eigene Meinung: sehr zuversichtlich, wenn nötige Infrastruktur geschaffen wird