Die historische Entwicklung der Brennstoffzelle

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1. Einführung

2. Was ist eine Brennstoffzelle?
2.1 Definition
2.2 Aufbau und Funktionsweise

3. Die historische Entwicklung der Brennstoffzelle
3.1 Die Entdeckung des Wasserstoffs
3.2 Die Erfindung der Batterie
3.3 Die Entwicklung der Brennstoffzellentechnik

4. Die unterschiedlichen Typen der Brennstoffzelle und ihre heutigen Anwendungen

5. Die Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle
5.1 Die Gründe für die Brennstoffzelle
5.2 Die derzeitigen Nachteile der Brennstoffzellentechnik

6. Zukunftsvisionen

7. Fazit

Quellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1 Aufbau einer Brennstoffzelle (Quelle: www.brennstoffzelle-nrw.de)

2 Versuchsaufbau und -ablauf nach Dr. Martin Schmidt (Quelle: www.geocities.com/fuelcellkit)

3 Direkte und Indirekte Energieumwandlung (Quelle: Wasserstoff & Brennstoffzellen S. 132)

4 20-cell laboratory stack with external ceramic manifolds (200W) (Quelle: Brennstoffzellen S. 102)

5 Die “voltasche Batterie” aus dem Jahr 1800 (Quelle: http://commons.wikimedia.org)

6 Die Brennstoffzelle von Grove (Versuchsaufbau von 1842) (Quelle: W. Ostwald, Elektrochemie, Leipzig 1896)

7 Die Funktionsweise der AFC der Fa. Pratt & Whitney (Quelle: http://www.elektroauto-tipp.de)

8 Die Entwicklung des Brennstoffzellenantriebs bei Daimler (Quelle: Broschüre: „F-Cell: Antrieb für die Zukunft“ von www.daimlerchrysler.com)

9 Der Lebenszyklus einer Brennstoffzelle (Quelle: Pehnt, M.: Energierevolution Brennstoffzelle? S. 113) (Quelle: Brennstoffzellen S.131)

11 Reichweite der Energieträger aus heutiger Sicht und ihre natürlichen Vorkommen (Erdöl und Erdgas) auf der Erde (Quelle: Energierevolution Brennstoffzelle? S. 10 und 11)

12 Wirkungsgrad unterschiedlicher Antriebsformen (Quelle: http://www.brennstoffzelle-nrw.de)

13 Das Brennstoffzellensystem eines Methanol-Brennstoffzellen-Fahrzeugs und die schematische Darstellung des Opel Hydrogen (Quelle: vgl. Energierevolution Brennstoffzelle? S. 53f.)

Tabellenverzeichnis

1 Die sechs Typen von Brennstoffzellen (nach Brennstoffzellen (Prof. Hoogers) S. 6)

1. Einführung

Wie lange werden unsere fossilen Brennstoffe noch ausreichen? Wie groß ist der zukünftige Bedarf an Energie in den Schwellenländern und der dritten Welt? Kann der CO2-Ausstoß effektiv verringert werden? Ist der globale Klimawandel noch abwendbar?

Das sind Fragen, mit denen sich viele Menschen beschäftigen und versuchen Antworten zu finden.

Einen großen Einfluss auf die Entwicklung im Energiesektor und der Mobilität hat dabei die Erforschung neuer regenerativer Energien. Eine dieser neuen Energien ist die Brennstoffzellentechnik.

Inhalt dieses Belegs ist die Betrachtung dieser Energieform sowohl aus historischer Sicht als auch die möglichen Anwendungsgebiete in der heutigen Zeit und in der Zukunft. Dabei werden wichtige Aspekte, wie die Funktionsweise, die Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle und die Chancen durch die Anwendung der neuen Technologie betrachtet.

2. Was ist eine Brennstoffzelle?

Vor der Betrachtung der historischen Entwicklung ist es zunächst notwendig, zu klären, was eine Brennstoffzelle ist, welche Bauteile sie besitzt und wie sie funktioniert.

2.1 Definition

„Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt.

Eine Brennstoffzelle ist kein Energiespeicher, sondern nur ein Wandler. Die Energie zur Stromproduktion wird mit den Brennstoffen zugeführt. Zusammen mit einem Brennstoffspeicher kann eine reversible Brennstoffzelle einen Akkumulator ersetzen.“^[1]

2.2 Aufbau und Funktionsweise

Grundlegend besteht eine Brennstoffzelle aus drei Komponenten: einer Anode, einer Kathode und einem ionenleitenden Elektrolyten (siehe Abbildung 1).^[2]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Aufbau einer Brennstoffzelle (Quelle: www.brennstoffzelle-nrw.de)

Eine einfache Versuchsanordnung, die von dem Wissenschaftler Dr. Martin Schmidt auf seiner Internetseite (www.geocities.com/fuelcellkit) dargestellt ist, beschreibt die relativ einfach nachzuvollziehende Funktionsweise der Brennstoffzelle.

Der Versuchsaufbau ist so gestaltet, dass man ein Glas mit Salzwasser befüllt. In dieses Glas werden zwei Platindrähte (Elektroden) in geringem Abstand zueinander gehängt. Die beiden Platinelektroden werden dann mit einem Voltmeter verbunden (siehe Abbildung 2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Versuchsaufbau und -ablauf nach Dr. Martin Schmidt (Quelle: www.geocities.com/fuelcellkit)

Anschließend werden die beiden Elektroden (Anode und Kathode) mit einer 4,5 Volt-Batterie mit Strom (Gleichspannung) versorgt.^[3]

Die erste Beobachtung ist, dass sich an den beiden Elektroden zunächst zahlreiche kleine Gasbläschen bilden. Dieser Vorgang wird als Elektrolyse bezeichnet.

Hierbei wandern die sich in der Kochsalzlösung (Natriumchlorid - NaCl) befindlichen positiv geladenen Ionen (Na+) zu der Kathode (Minuspol) und die negativen Ionen (Cl-) zu der Anode (Pluspol). Dort werden die Ionen entladen und liegen im Ergebnis als neutrale Teilchen (Atome oder Moleküle) vor. Bei diesem Vorgang bildet sich an der Anode (Pluspol) Cl2 und an der Kathode (Minuspol) H2, welches als Nebenprodukt durch die Bindung von Natrium an ein Wasserstoffatom zu Natronlauge (NaOH) übrig bleibt.

Im nächsten Schritt wird der Gleichstrom der Batterie abgeschaltet. Jetzt beginnt der eigentliche Vorgang der Energieerzeugung, auch als Gasbatterie oder Umkehrung der Elektrolyse bezeichnet.

Durch das Abschalten der Batterie wird die Gasentwicklung an den Elektroden gestoppt. Die Gasbläschen (Chlor und Wasserstoff) haften aber teilweise noch an den Platinstäbchen. Platin hat die chemische Eigenschaft als Katalysator zu wirken. Diese Eigenschaft ist die Grundvoraussetzung des Experiments die Elektrolyse umzukehren.

Das bedeutet, dass sich die beiden Gase binden und im Ergebnis Salzsäure (HCl) bilden. Bei dieser Bindungsreaktion wird Energie freigesetzt, die mit dem angeschlossen Voltmeter messbar ist. Strom wurde erzeugt.

Durch den erneuten Anschluss der Batterie wird die Salzsäure wieder in Natriumchlorid umgewandelt und das Experiment kann von vorn beginnen.3

Die Besonderheit bei der Funktionsweise einer Brennstoffzelle ist die direkte Umwandlung von chemisch gespeicherter Energie in Strom. Die Umwandlung bei der konventionellen Stromerzeugung ist meist durch einen dreistufigen Umwandlungsprozess gekennzeichnet (siehe Abbildung 3).

Dabei wird die chemische Energie zunächst in thermische Energie (Wärme) umgewandelt um dann im Anschluss über die Umwandlung in kinetische Energie (z.B. durch den Antrieb von Turbinen durch Wasserdampf) Strom zu erzeugen.^[4] Die Folge dieses Prozesses ist ein relativ niedriger Wirkungsgrad, der im weiteren Verlauf dieser Arbeit (Abschnitt 5 Vor- und Nachteil der Brennstoffzelle) noch näher erläutert wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Direkte und Indirekte Energieumwandlung (Quelle: Wasserstoff & Brennstoffzellen S. 132)

Die Funktionsweise einer Brennstoffzelle besteht, wie bereits erwähnt, in der Umkehrung der Elektrolyse.

Im Unterschied zu dem bereits beschriebenen Versuchsaufbau befindet sich in der Brennstoffzelle noch zusätzlich eine Membran. Diese Membran soll verhindern, dass sich der zugeführte Wasserstoff mit dem Sauerstoff (im beschriebenen Experiment war das zweite Gas: Chlor) sofort zu Wasser verbindet. Die zurzeit am meisten verbreitete Brennstoffzellenvariante verwendet eine Polymer-Elektrolyt- Membran (PEM).^[5]

Sie besteht aus einer hauchdünnen Plastikfolie mit einer dem Teflon ähnlichen Struktur.

Der zugeführte Wasserstoff spaltet sich an der Anode in zwei Protonen und zwei Elektronen. Diese Reaktion wird durch die katalytische Wirkung der Platinelektrode möglich. Die freigewordenen Protonen können nun durch die Membran hindurch wandern. Die zwei Elektronen werden durch die besondere Eigenschaft der Membran zurückgehalten und müssen nun den Umweg über den elektrischen Verbraucher (Anwendungen werden im weiteren Verlauf der Arbeit betrachtet) gehen. Sie fließen über den angelegten Stromkreis in Richtung der Kathode ab.

Auf der Seite der Kathode, wo Elektronenmangel herrscht, treffen nun die Protonen wieder auf die Elektronen und gehen eine Verbindung mit den dort befindlichen Sauerstoffmolekülen ein (siehe Abbildung 1). Daraus entsteht dann Wasser, welches zusammen mit dem überbliebenen Sauerstoff als einziges Produkt dieser Reaktion und der dabei entstandenen Wärme abgeleitet wird.

[...]

^[1] http://de.wikipedia.org/wiki/Brennstoffzelle

^[2] vgl. Geitmann, S.: Wasserstoff & Brennstoffzellen S. 134;

vgl. Pehnt, M.: Energierevolution Brennstoffzelle? S. 47;

vgl. Ledjeff, K. (Hrsg.): Brennstoffzellen S. 29

^[3] vgl. http://www.geocities.com/fuelcellkit

^[4] vgl. Geitmann, S.: Wasserstoff & Brennstoffzellen S. 131 f.

^[5] vgl. Geitmann, S.: Wasserstoff & Brennstoffzellen S. 133