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Heimschule St. Landolin Neigungsfach Chemie

Mahlberg-Orschweier, 28.02.2005
Die Brennstoffzelle

Prüfer:
Herr Maurer
Verfasser: Stefan Hunn Feldstraße 3 77972 Mahlberg-Orschweier E-Email: shunn@online.de

Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung................................................................................................................................ 2 2. Die Brennstoffzelle................................................................................................................. 3 3. Funktion und Aufbau der PEM Brennstoffzelle .................................................................... 4 4. Verschiedene Typen von Brennstoffzellen ............................................................................ 6 5. Brennstoffzellen in der Automobilindustrie........................................................................... 7 6. Herstellung von Wasserstoff .................................................................................................. 8 7. Literaturnachweis....................................................................................................................9

1. Einleitung
Heutzutage verbrauchen wir alle eine Menge an Energie. Neben der Energie die ein Mensch braucht um zu funktionieren, welche er in Form von Nahrung zu sich nimmt, ist es heutzutage auch unumgänglich Energie in Form von Strom zu benutzen um zum Beispiel den Herd, Computer oder andere elektronische Helfer zu versorgen. Neben diesen elektrischen Helfern benötigen wir heutzutage aber auch noch hauptsächlich Energie welche wir aus fossilen Brennstoffen gewinnen, sie betreiben 99% unserer Fortbewegungsmittel. Durch die stetig wachsende Bevölkerung und die fortschreitende Industrialisierung in allen teilen der Erde wächst unser Energieverbrauch ins Unermessliche. Wir wissen, dass unsere Ressourcen begrenzt sind und zudem auch noch der Umwelt schaden. Denn durch den Ausstoß von CO 2 fördern wir den Treibhauseffekt, welcher die globale Erwärmung zur Folge hat. Wir alle wissen, dass wir etwas dagegen unternehmen müssen. Aber vor allen Dingen müssen sich die Einstellungen gegenüber der Energie und Resourcenpolitik auf politischer Ebene grundlegend ändern. Und genau bei diesen Überlegungen, wie wir die Umwelt schonen und trotzdem den gleichen Lebensstandard halten können kommen erneuerbare und umweltfreundliche Projekte ins Spiel. Da hätten wir die Windkraft, Sonnenkraft, Wasserkraft und die Brennstoffzelle. Und genau diese Brennstoffzelle birgt das größte Potenzial der Energielieferant der Zukunft zu werden.

2. Die Brennstoffzelle
Der Grundstein für die heutige Brennstoffzelle wurde bereits 1830 durch den englischen Juristen und Physiker Sir William Robert Grove (1811-1896) gelegt. Als er Experimente mit der Elektrolyse durchführte, welche mittels elektrischem Strom Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspaltet, stellte er fest, dass dieser Vorgang auch umgekehrt ablaufen kann. Er war es, der den ersten funktionsfähigen Prototypen der Brennstoffzelle entwickelte. Seine Brennstoffzelle, welche er damals ,galvanische Gasbatterie" nannte, bestand aus zwei Elektroden aus Platin, die jeweils von einem Glaszylinder umschlossen waren. Der eine Zylinder wurde mit Sauerstoff und der andere mit Wasserstoff gefüllt. Die beiden Elektroden tauchte er in verdünnte Schwefelsäure, welche als Elektrolyt für die Reaktion diente und somit eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Elektroden schuf. An den Elektroden konnte er nun eine Spannung messen, die jedoch gering war. Um eine höhere Spannung zu erzielen, schaltete er mehrere galvanische Gasbatterien zusammen. Brennstoffzellen waren damals aber wegen ihrer teuren Werkstoffe uninteressant. Erst in den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts schenkte man der Entdeckung Groves wieder Beachtung. Es war vor allem der Kalte Krieg, der die Brennstoffzelle zu neuem Leben erwachen ließ, denn in der Militärtechnik und in der Raumfahrt benötigte man ,kompakte" Energiequellen. Im Jahre 1963 hatte das amerikanische Energieversorgungsunternehmen General Electric eines der ersten Brennstoffzellensysteme entwickelt, welches erfolgreich in den Gemini-Raumkapseln Einsatz fand. Auch beim Apollo Programm der NASA wurden die Raumfahrzeuge anstelle von Batterien mit Brennstoffzellen ausgerüstet, da Batterien zu schwer gewesen wären. Zu Beginn der 90er Jahren des letzten Jahrhunderts wurde die Brennstoffzelle für die zivile Nutzung interessant. Ingenieure und Wissenschaftler entwickelten von nun an neue Technologien und Konzepte für die Brennstoffzelle um die Leistungsfähigkeit zu steigern und gleichzeitig die Kosten zu senken. Inzwischen wurde diese Technologie so weit entwickelt, dass sie heute vielerorts Einsatzmöglichkeiten bietet. Zurzeit sind Notebooks, Handys, Fahrzeuge, ja sogar hauseigene Kleinkraftwerke, ausgerüstet mit Brennstoffzellen, in der Testphase. Erste Brennstoffzellen sind nun auf dem Markt, jedoch sind sie sehr teuer. Wann die ersten erschwinglichen Brennstoffzellen im Straßenverkehr auftauchen, ist nicht absehbar.
3. Funktion und Aufbau der PEM Brennstoffzelle
Die Abkürzung ,PEM" der beschriebenen Brennstoffzelle steht für die ,PolymerElektrolyt-Membran" oder aber auch ,Proton-ExchangeMembrane", welche eine wichtige Komponente der Brennstoffzelle darstellt. Diese Membran dient als Elektrolyt und trennt die Gase Sauerstoff O 2 und Wasserstoff H 2 voneinander, damit nicht unerwünscht die unerwünschte Knallgasreaktion eintreten kann. Die Membran ist wie der Name schon sagt für Protonen durchlässig, so dass es nur den Protonen gelingt durch die Membran durchzudringen, jedoch nicht den verbleibenden Elektronen. Die Elektronen sind gezwungen den Weg via Anode durch einen elektrischen Leiter zu nehmen. Es fließt ein elektrischer Strom in Richtung Kathode. An der Kathode verbinden sich nun zwei Elektronen mit je einem Sauerstoffatom. Es gelangen je zwei Protonen zu jedem entstandenen Sauerstoff-Ion hinzu. Es handelt sich dabei um die Protonen, die inzwischen durch die Membran gewandert sind. Somit entsteht auf der Kathodenseite als Reaktionsprodukt reines Wasser. Die abgelaufene Reaktion ist eine kalte Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff. Die Reaktionsgleichung der PEM Brennstoffzelle lautet: Oxidation : 2 H 2 4 H plus 4 e minus Reduktion : O 2 4 H plus 4 e minus Gesamtreaktion : O 2 2 H 2 2 H 2O

2 H 2O
Es handelt sich um die bekannte Knallgasreaktion. Die stark exergon abläuft. Pro mol entstehendem Wasser wird eine Energie von 527 kJ freigesetzt.
Da eine einzige Brennstoffzelle nur eine sehr geringe Leistung aufweist, schaltet man mehrere Zellen zusammen. Solche Stapel von Brennstoffzellen (,Stacks") sind vor alle Dingen für die Autoindustrie von Bedeutung, da vor allem leistungsstarke Elektromotoren in zukünftigen Automobilen eingebaut werden. Bei einem bipolaren Stapelaufbau stehen Einzelzellen jeweils durch eine gemeinsame Bipolarplatte miteinander in elektrischem Kontakt. Die Bipolarplatte führt auf der einen Seite das Brenngas und auf der anderen Seite Luft oder Sauerstoff zu den jeweiligen Elektroden. Der Name Bipolarplatte stammt von folgendem Sachverhalt: Minuspol an der Anodenseite (Wasserstoff) und Pluspol an der Kathodenseite (Sauerstoff). Die Summe der einzelnen Zellspannungen nennt man Stackspannung. Diese wird durch Stromabnehmer am Anfang und am Ende des Zellstapels abgeführt. Die Bipolarplatten machen zirka 80 % des gesamten Zellstapelgewichts aus. Sie sind auch für die Wärme- und Wasserabführung verantwortlich. Das Abführen von Wasser und Wärme wird durch so genannte ,Flowfields", die in der Bipolarplatte eingefräst sind, erreicht. Die auf der Wasserstoffseite entstandenen Elektronen werden durch die Platte auf die Sauerstoffseite geleitet.
4. Verschiedene Typen von Brennstoffzellen
Neben der beschriebenen PEM Brennstoffzelle (PEMFC), welche als Brennstoff Wasserstoff benötigt, gibt es noch weitere Brennstoffzellen. In der folgenden Liste sind am häufigsten verwendeten Typen aufgelistet. Name und In- Verwendeter ternationale Elektrolyt Abkürzung PolymerPolymermemElektrolyt-Mem- bran aus Nafion bran-Brennstoffzelle (PEMFC) Brennstoff Anwendungsge- Bemerkungen, biet Wirkungsgrad Automobilindus- Bis 20 kW, trie, Raumfahrt, Schifffahrt Methanol = 50 -60 %

Wasserstoff
Direkt Methanol PolymermemBrennstoffzelle bran (DMFC) Alkalische Brennstoffzelle (AFC) Phosphorsäure Brennstoffzelle (PAFC) Kalilauge
Automobilindus- Produkt: CO 2 trie = 40 %
Reiner stoff
Wasser- Raumfahrt, Schifffahrt, Transport
50 ­ 100 kW =50 - 65 % =35 ­ 45 %
Phosphorsäure
Durch Re- Blockheizformierung von kraftwerke Methanol wird direkt Wasserstoff hergestellt 50 -500 kW
Schmelzkarbonat Calciumcarbonat Wasserstoff, BlockheizBrennstoffzelle Kohlegas, Me- kraftwerke than

100 kW Leistung, = 45 ­ 60 %
Die heute am besten erforschte und erprobte Brennstoffzelle ist die PEMFC. Sie wird auch unter anderem auf Grund von Umwelt Aspekten bevorzugt, denn die Brennstoffe wie auch das Produkt, Wasser, sind sehr Umweltfreundlich.

Wirkungsgrad:
Energieoutput * 100 Energieinput
Problem: Bei den meisten Wirkungsgradberechnungen wird nicht mit einberechnet wieviel Energie für die Herstellung einer Brennstoffzelle benötigt wird. Somit erhält man nur einen theoretischen Wirkungsgrad. 6
5. Brennstoffzellen in der Automobilindustrie
Natürlich versuchen auch die Automobilkonzerne sich weiter zu entwickeln. Denn auch ihnen ist nicht entgangen das die Fossilebrennstoffe auf unserer Welt nur begrenzt vorkommen. Daher versucht auch die Automobilindustrie auf Brennstoffzellen zu bauen und das aus zwei Gründen. Erstens sind die Brennstoffe für eine PEMFC nicht begrenzt in ihrem Vorkommen. Und zweite Aspekt ist die Umweltfreundlichkeit. Denn das Produkt sowie auch die Edukte der Reaktion sind sehr umweltfreundlich. Ein weiterer positiver Effekt ist die Laufruhe, denn bei einem konventionelle Verbrennungsmotor vibriert das gesamte Fahrzeug, bei Autos mit PEMFC Energiequellen wird der Vortrieb durch Elektromotoren gewährleistet. Nachfolgend einige Projekt großer Automobilkonzerne: Honda Honda forscht nicht nur an der Entwicklung von Automobilen, welche mit der Umweltfreundlichen Variante der Brennstoffzelle, wie zum Beispiel der PEMFC, fortbewegt werden können. Sie arbeiten auch an einem Gesamtkonzept für Haushalte. Dies beinhaltet die lokale Herstellung von Wasserstoff mit Hilfe von Sonnenkraft oder Windkaft. Dieser Wasserstoff kann dann weiter verwendet werden zur Wärme- oder Stromproduktion. Natürlich könnte dieser Wasserstoff auch als Brennstoff in Automobile getankt werden. BMW BMW hat ihr Brennstoffzellenprojekt ,CleanEnergy" geatauft. Dieses Projekt hat das Ziel eine umweltfreundliche und wirtschaftlich Lösung zu finden für das Fortbewegungsproblem der Zukunft. Denn auch an BMW ist es nicht vorüber gegangen das unsere momentan verwendeten Brennstoffe begrenzt sind. Daher wird jetzt nach einer Lösung gesucht oder besser gesagt es wurde schon eine vorläufige Lösung gefunden. Ich nenne diese Lösung nur vorläufig, da sie noch längst nicht serienreif ist aufgrund hoher Anschaffungskosten und Probleme bei der Versorgung mit dem benötigten Brennstoff. Denn das Konzept von BMW ist eine PEMFC in einem Auto zu verwenden um einen zentralen oder mehrere Elektromotoren zu betreiben.
6. Herstellung von Wasserstoff
Die Herstellung von Wasserstoff stellt insofern ein Problem da, wenn sie umweltfreundlich und wirtschaftlich zugleich sein soll. Denn meist sind die umweltfreundlichen Methoden Kostenintensiver als die heute meist verwendeten. Heute wird unter anderem aus Alkanen Wasserstoff gewonnen dabei wird CO2 frei. Dieses Gas ist ein Treibhausgas und fördert somit den Treibhauseffekt. Aber genau dies wollen wir ja eigentlich verhindern. Also lässt sich sagen uns nützt der umweltfreundlichste Motor nichts, wenn nicht auch der Brennstoff dafür umweltfreundlich ist bzw. hergestellt werden kann. Ich stelle nun nur Methoden zur Wasserstoff herstellung vor welche auch umweltfreundlich sind. 1. Ausnutzung der Sonnenenergie: 1. Photovoltaik: Mit Hilfe von Halbleitern wird aus der Sonnenstrahlung Energie gewonnen. Nachteile sind hohe Anschaffungskosten. 2. ,Spiegelkraftwerke": Mit Hilfe von Spiegeln werden Sonnenstrahlen gebündelt und auf ein Objekt gerichtet. Dieses erhitzt sich und kann somit eine Turbine antreiben welche Strom erzeugt. Hohe Wartungskosten, Hohe Anschaffungskosten. 2. Windkraft: Hohe Wartungskosten und kosten für Verschleißteile 3. Wasserkraft: Hohe Anschaffungskosten; ökologische Aspekte
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7. Literaturnachweis
http://www.diebrennstoffzelle.de/zelltypen/index.shtml http://www.diebrennstoffzelle.de/zelltypen/pemfc/index.shtml http://www.diebrennstoffzelle.de/zelltypen/afc/index.shtml http://www.fuelcell.tk http://www.pemfc.de Presse Mitteilung: Hond FCX BMW -Infomaterial
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