Zukunftstechnologie Brennstoffzelle

Die mobile Anwendung Brennstoffzelle in Kombination mit einem Antrieb


Referat / Aufsatz (Schule), 2013
20 Seiten, Note: 1,1

Leseprobe

INHALTSVERZEICHNIS

1.Einleitung

2.Die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle
2.1 Definition und Geschichte
2.2 Funktionsprinzip der Brennstoffzelle
2.3 Vergleich der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle mit der Alkalischen Brennstoffzelle

3.Wasserstoffherstellung und Speicherung

4.Mobiler Einsatz in Verbindung mit einem Antrieb
4.1 Abläufe innerhalb des Antriebssystems
4.2 Pro und Kontra
4.2.1 Vorteile im Vergleich zu gängigen Antriebsmöglichkeiten
4.2.2 Nachteile und Probleme
4.3 Beispiele für Einsatzgebiete
4.3.1 Im Straßenverkehr
4.3.2 In der Luft- und Raumfahrt
4.3.3 In der Schifffahrt

5.Schlussbemerkung: Fazit und Ausblick

6.Literaturverzeichnis
6.1 Literatur
6.2 Abbildungen

1. EINLEITUNG

Die Bereitstellung von Energie für Jedermann ist ohne Zweifel eine der größten Streitfragen des 21. Jahrhunderts. Effizienz, Zugänglichkeit, Erschwinglichkeit, reduzierte Abhängigkeiten, Umweltfreundlichkeit und Risikofreiheit sind dabei die maßgebenden Ideale, die man zu erreichen versucht. In diesem Sinne ist die Energieerzeugung und deren Einsatz durch den Fortschritt in der Wissenschaft einem ständigen Wandel unterzogen, der die Verbesserung hin zu solchen Idealen bezwecken soll. Insbesondere der Trend zur Umweltentlastung und das durch Knappheit bedingte notwendige Abwenden vom wichtigsten fossilen Rohstoff der Erde, dem Erdöl, geraten heutzutage immer mehr in den Fokus.

Deshalb greift man nun wieder auf zunächst schon fast in Vergessenheit geratene Technologien zurück um wiederum andere, in diesem Fall umweltschädlichere Technologien, schrittweise zu ersetzen.

Ein solches Beispiel ist die Brennstoffzelle, die als eine der Zukunftstechnologien des 21. Jahrhunderts gehandelt wird, und das, obwohl sie seit ihrer Entdeckung aufgrund mangeln- der Effektivität kaum Anwendung fand. Heute dagegen wird ihr in vielen Bereichen erhebli- ches Potenzial zugesprochen und sie erlebt eine weltweite Renaissance. Der Grund liegt dabei vor allem bei den vielseitigen Vorteilen, die diese Technologie zu versprechen meint, wobei das Augenmerk auf den schon genannten Aspekten der Entlastung der Umwelt und der Unabhängigkeit vom Erdöl liegt.

Gerade darum würde man annehmen, dass diese Art von Technologie sehr gut geeignet ist für einen der Bereiche, der für einen Großteil des Verbrauchs an Erdöl und gleichzeitig des Schadstoffausstoßes auf dieser Erde verantwortlich ist. Dabei handelt es sich um den Bereich des Antriebs und der Fortbewegung; sprich also die mobile Verwendung der Brennstoffzelle in Verbindung mit einem Motor.

Doch warum findet die Brennstoffzelle dann noch immer nur vereinzelten Einsatz? Woran scheint eine letztendliche Markteinführung zu scheitern?

Und mit welchen Vorteilen könnte man verglichen mit herkömmlichen Technologien bei einer erfolgreichen Marktreife der Brennstoffzelle rechnen? Um welche Einsatzgebiete handelt es sich genau, in denen sie sich im Antriebssektor etablieren könnte?

Diese, und noch viele weitere Fragen sind Gegenstand der vorliegenden Seminararbeit mit der Zielsetzung, einen umfassenden Überblick über die Zukunftstechnologie Brennstoffzelle im Bereich der mobilen Anwendung in Verbindung mit einem Antrieb zu schaffen.

2.DIE WASSERSTOFF-SAUERSTOFF-BRENNSTOFFZELLE

2.1 DEFINITION UND GESCHICHTE

Bei der Brennstoffzelle handelt es sich um eine elektrochemische, genauer gesagt galvani- sche Zelle, die der Wandlung von chemischer Energie in elektrische Energie dient. Die benötigte Energie wird mit einem Brennstoff, der durch seine chemische Zusammensetzung ein gewisses Energiepotenzial besitzt, kontinuierlich zugeführt. Anschließend wird die bei der Reaktion des Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel freiwerdende Reaktionsenergie in elektrische Form gebracht um sie für weitere Zwecke nutzbar zu machen. (wikipedia.org I.) (chorum.de I.)

Es handelt sich bei diesem Prozess um eine sogenannte „kalte Verbrennung“, weil anders als bei den meisten exothermen Reaktionen primär keine thermische Energie, sondern elektrische Energie frei wird. Dabei entstehen im Allgemeinen keine schädlichen Emissions- gase, sondern oft nur ganz einfache Nebenprodukte wie Wasser, die in der Regel harmlos sind. (dlr.de)

Aus der Kombination der verwendeten Stoffe heraus ergeben sich verschiedene Typen von Brennstoffzellen, wobei neben der Direktmethanol-Brennstoffzelle, welche Methanol als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet, die Wasserstoff-Sauerstoff- Brennstoffzelle am meisten erforscht wird und vor allem auch Anwendung findet. (Buchal, 2008)

Als Entdecker des Prinzips der Brennstoffzelle gilt der deutsche Physiker und Chemiker Professor Christian Friedrich Schönbein (1799 - 1868), der 1838 an der Universität Basel eruierte, dass bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff eine elektrische Spannung festgestellt werden kann. (chorum.de I.)

Die eigentliche Erfindung der Brennstoffzelle wird jedoch dem britischen Jurist und Forscher Sir William Robert Grove (1811 - 1896) zugeschrieben, der erkannte, dass es sich bei Schön- beins Experiment um die Umkehrung der Elektrolyse handelt. Grove entwickelte daraufhin im Jahre 1839 die erste funktio- nierende Brennstoffzelle, welche er „galvanische Gasbatterie“ (diebrennstoffzelle.de I.) taufte. (Larminie & Dicks, 2000)

Diese Erfindung wurde jedoch angesichts der anfänglich zu geringen Effektivität und Werner von Siemens‘ Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips im Jahre 1866 in den Hinter- grund gedrängt. Es dauerte demnach noch über 100 Jahre, bis diese Technik derart verbes- sert wurde, dass sie in bestimmten Bereichen Anwendung finden konnte. Allerdings handelte es sich bei diesen Einsatzgebieten aus Kostengründen vorerst um staatlich geförderte Projekte. Beispielsweise fand die Brennstoffzelle als Energielieferant in U-Booten der Marine oder später auch in der Raumfahrt Gebrauch. Zum Beispiel wurde die Brennstoffzellen- technik bereits im Rahmen des Apollo-Programmes im Jahre 1969 verwendet. Eine kom- merzielle Nutzung wurde jedoch erst Anfang der 80er Jahre in Betracht gezogen. (Rosenberg & Gent, planet-wissen.de, 2009) (Rosenberg, planet-wissen.de, 2009)

2.2 FUNKTIONSPRINZIP DER BRENNSTOFFZELLE

Der prinzipielle Aufbau einer Brennstoffzelle ist unabhängig vom Typ im Kern gleich. Anhand der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC) wird das Funktionsprinzip nun genauer erläutert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

ABBILDUNG 1: FUNKTIONSPRINZIP POLYMERELEKTROLYT- BRENNSTOFFZELLE (COMMONS.WIKIMEDIA.ORG, 2005)

Anode und Kathode sind durch einen Elektrolyt (Ionenleiter), der nur für bestimmte Teilchen durchlässig ist, voneinander getrennt. Im Falle der PEMFC handelt es sich dabei um eine saure, sehr dünne semipermeable Polymermembran, die nur von positiven WasserstoffIonen passiert werden kann.

Die Elektroden dagegen bestehen in der Regel aus einem porösen Kohlenstoff, um zu gewährleisten, dass sie, neben ihrer leitenden Funktion, von Gasen durchströmt werden können. Demgemäß kann auf Seiten der Kathode Sauerstoff und an der Anode Wasserstoff beständig hinzugeführt werden. Eine Edelmetalllegierung fungiert darüber hinaus als Kataly- sator, welcher für die Aufspaltung der Gase nötig ist und gewöhnlich aus Platin besteht. In Abbildung 1 werden der Aufbau und die Funktion der Polymerelektrolyt- Brennstoffzelle figurativ dargestellt. (Lucas Nülle GmbH, Kai-Christian Tönnsen, 2010) (chorum.de I.)

Bei der sich in der Brennstoffzelle abspielenden Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauer- stoff handelt es sich um eine sogenannte Redoxreaktion, die in Oxidation und Reduktion gegliedert ist.

Die Oxidation bezeichnet die mit Hilfe des Katalysators ermöglichte Zerlegung der Wasserstoffmoleküle in jeweils zwei Elektronen und zwei positiv geladene Zellkerne und spielt sich im Anodenraum ab. Es handelt sich folglich um die sogenannte Elektronenabgabe:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die anschließend ablaufende Elektronenaufnahme findet im Kathodenraum statt und nennt sich Reduktion. Dabei rekombinieren die bei der Oxidation zunächst getrennten Ladungsträ- ger mit den sich dort befindenden Sauerstoff-Ionen unter Wärmeentwicklung zu Wasser:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wenn man nun diese beiden Teilreaktionen zusammenfasst, ergibt sich folgende Gesamtre- aktion:

(guidobauersachs.de) (wikipedia.org II.)

Allerdings hindert eine wichtige Besonderheit der Brennstoffzelle anfänglich die soeben beschriebene Redoxreaktion, davor abzulaufen. Dies liegt daran, dass die beiden Edukte, Wasserstoff und Sauerstoff, zunächst durch die Polymermembran voneinander getrennt sind und somit nicht direkt reagieren können. Lediglich die bei der Reduktion entstandenen H+-Ionen können durch die Elektrolytmembran diffundieren und gelangen auf diese Weise zum Sauerstoff in den Kathodenraum. Zu diesem Zwecke muss die Polymermembran befeuchtet werden, da ansonsten deren Protonenleitfähigkeit nur eingeschränkt bestehen würde.

Erst der fortan im Anodenraum herrschende Elektronenmangel bewirkt, dass die freien Elektronen über den äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode geleitet werden (vgl. Abbildung 1).

Es wird also elektrische Arbeit verrichtet, indem die bei der Reaktion erzeugte Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden ausgeglichen wird.

Die elektrische Energie kann einfach und unkompliziert anhand von einem zwischen Anode und Kathode geschalteten Stromverbraucher genutzt werden. (diebrennstoffzelle.de II.) (guidobauersachs.de) (Hakenjos, 2006) (chorum.de I.)

In der Praxis wäre die Ausgangsspannung einer einzelnen Brennstoffzelle viel zu gering um elektrische Geräte mit ausreichend Energie zu versorgen. Wenn daher im Volksmund von einer Brennstoffzelle die Rede ist, ist gewöhnlich ein komplettes Brennstoffzellensystem gemeint. Eine solche Einheit besteht aus einem oder mehreren sogenannten „Stacks“, einem Verbund aus vielen einzelnen in Reihe geschalteten Brennstoffzellen, die mittels jeweils einer zwischen zwei Brennstoffzellen befindlichen Bipolarplatte voneinander getrennt sind. Derartige Platten sind robust, bestehen zumeist aus Graphit oder einem leitenden Kunststoff und übernehmen zwei wichtige Aufgaben innerhalb des Systems. Einerseits bilden Bipolar- platten die elektrische Verbindung zwischen den Elektroden zweier benachbarter Brennstoff- zellen. Andererseits sichern sie, wie in Abbildung 2 (a) schematisch dargestellt, durch feine, beidseitig eingefräste Kanäle die separate Zufuhr der Reaktionsgase und gegebenenfalls des Kühlwassers, sowie die Abführung von Wärme und Reaktionsprodukten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

ABBILDUNG 2: (a) SCHEMATISCHER AUFBAU EINES BRENNSTOFFZELLEN-STACKS (CHEMGAPEDIA.DE) (b) KÄUFLICHER BRENNSTOFFZELLEN-STACK MIT 96 ZELLEN (PROTON-MOTOR.DE)

Durch die Größe der Fläche der einzelnen Brennstoffzellen wird die Stromstärke eines Stacks bestimmt, wohingegen die Spannung von der Anzahl der Zellen abhängt. Abbildung 2 (b) zeigt einen Brennstoffzellen-Stack mit 96 Zellen. (Lucas Nülle GmbH, Kai-Christian Tönnsen, 2010) (zbt-duisburg.de) (chemgapedia.de) (chorum.de II.)

[...]

Ende der Leseprobe aus 20 Seiten

Details

Titel
Zukunftstechnologie Brennstoffzelle
Untertitel
Die mobile Anwendung Brennstoffzelle in Kombination mit einem Antrieb
Veranstaltung
Wissenschaftspropädeutisches Seminar
Note
1,1
Autor
Jahr
2013
Seiten
20
Katalognummer
V335199
ISBN (eBook)
9783668251052
ISBN (Buch)
9783668251069
Dateigröße
881 KB
Sprache
Deutsch
Reihe
Aus der Reihe: e-fellows.net stipendiaten-wissen
Schlagworte
zukunftstechnologie, brennstoffzelle, anwendung, kombination, antrieb
Arbeit zitieren
Lennart Zeller (Autor), 2013, Zukunftstechnologie Brennstoffzelle, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/335199

Kommentare

  • Gast am 12.7.2017

    Diese Lektüre hat mir in meinen Studien zu diesem Thema sehr weitergeholfen. In so einer kompakten Art und Weise wird man selten über dieses interessante Thema informiert.

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