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Brennstoffzelle


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Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle die die Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in nutzbare elektrische Energie umwandelt.

Brennstoffzelle

Technisch besonders bedeutsam ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Wasserstoff und Sauerstoff können durch Einsatz regenerativer Energien aus der Erdatmosphäre gewonnen werden. So z.B. Solartechnik genutzt werden um den Wasserstoff mittels Elektrolyse aus Wasser zu gewinnen. Damit ist Energiewandler einer der Hoffnungsträger für eine nachhaltige Energieerzeugung.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde bereits 1839 von Sir William Grove beschrieben auf unzureichender Materialien jedoch nicht umgesetzt und geriet Vergessenheit. Erst in den 1950er Jahren wurden Brennstoffzellen als Nischenlösungen genutzt allem in Raumfahrzeugen und U-Booten .

Funktionsprinzip

Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Platinelektroden die durch eine Membran voneinander getrennt sind. An der Anode wird Wasserstoff katalytisch in Elektronen und Protonen aufgespalten. Die Protonen diffundieren durch die Membran die Elektronen nehmen 'Umweg' durch den elektrischen Verbraucher. Beide verbinden an der Kathode mit dem Sauerstoff unter Bildung von Für die Reaktionen an den Elektroden lassen folgende Gleichungen formulieren:

Anode: 2 H 2 → 4 H + + 4 e -
Kathode: O 2 + 4 H + + 4 e - → 2 H 2 O

Gesamtreaktion: 2 H 2 + O 2 → 2 H 2 O + Energie

Die so erzeugte elektrische Spannung ist gering. Daher besteht eine Brennstoffzelle für gewöhnlich vielen in Reihe geschalteten Membran-Elektroden-Einheiten.

Brennstoffzellentypen

  • AFC (Elektrolyt: Kalilauge)
  • DMFC ( direct methanol fuel cell = Direktmethanol-Brennstoffzelle)
  • PEMFC (Proton-Exchange-Membran-Fuel-Cell)
  • PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)
  • SOFC (Solid-Oxide-Fuel-Cell)

Anwendungen

Die modernsten deutschen U-Boote werden durch Brennstoffzellen angetrieben gebaut bei Nordseewerken Emden in Kooperation mit HDW. Die dieser U-Boot Klasse 212 erfolgt seit 2003 .

(siehe http://www.hdw.de )

Mehrere Automobilfirmen (u.a. DaimlerChrysler Ford Honda Opel ) forschen seit zum Teil 20 Jahren Automobilen deren Treibstoff Wasserstoff ist und die zur Energieumwandlung sowie einen Elektromotor zum Antrieb Ein Beispiel sind die Fahrzeuge NECAR 1 NECAR 5 von DaimlerChrysler ).

Die Motivation dazu findet sich wahrscheinlich der Einsicht dass die Erdölvorkommen der Erde begrenzt sind ( Ölkrise )und eine Fortsetzung des lukrativen Autogeschäfts in "Zeit-nach-dem-Erdöl" wünschenswert ist. Förderlich für die erheblichen in der Forschung war insbesondere der "Zero act" ein Gesetz in den USA das vorschreibt dass zukünftig Autos abgasfrei sollen.

Für das Jahr 2003 war vorgesehen dass 10% aller neuzugelassenen in Kalifornien diesem Gesetz unterliegen sollten. Unter dem der USA W.Bush wurde dieses Gesetz weiter die Zukunft verschoben.

Ein Nebeneffekt ist dass die Emissionen Auto (Zero Emission Vehicle) zu den Stellen werden wo der Wasserstoff hergestellt wird. Als Folge erwartet man Verbesserung der Luftqualität in Großstädten.

Die bislang nur ansatzweise gelösten Probleme nicht nur die Größe und das Gewicht Brennstoffzelle zu reduzieren sondern auch geeigneten Treibstoff eine geeignete Lagerung desselben zu finden. Wasserstoff ist zwar ein geeigneter Treibstoff; er lässt allerdings nur schwer in einer Menge die Auto etwa 500 km weit bringt kompakt Auto lagern.

Drei Alternativen (Druckflasche flüssiger Wasserstoff Metallhydrid) sind zur Serienreife entwickelt.

Eine weitere Möglichkeit um Wasserstoff zu speichern sind Kohlenstoffnanoröhren . Das sind Röhrchen die aus einem von Kohlenstoffatomen bestehen und theoretisch unendliche Faserlängen bilden Füllt man einen Tank mit diesen (heute sehr teuren Fasern) so kann man eine speichern die ein Elektroauto ca. 8.000 km km) weit fahren lässt. Nelly Rodriguez und Kollegen von der Northeastern University in Boston ( USA ) ist es mit dieser Technik gelungen Dreifache ihres eigenen Gewichts an Wasserstoff zu ( New Scientist Nr. 2061 S. 20).

Mögliche alternative Treibstoffe sind Ethanol Methanol oder andere Kohlenwasserstoffe von denen kurz Gebrauch der Wasserstoff abkatalysiert wird. Dieses Verfahren erzeugt jedoch nennenswerte an CO 2 was die ansonsten perfekte Umweltverträglichkeit der einschränkt.

Eine der wichtigsten stationären Anwendungen wird Brennstoffzellen-Heizgeräten voraussichtlich in den kommenden Jahren marktreif Bei diesen Geräten wird Erdgas durch einen zu Wasserstoff umgewandelt und der Brennstoffzelle zugeführt. wird zum einen Strom gewonnen zum anderen die entstehende Abwärme für die Brauch- und verwendet werden. Ziel der dezentralen Strom- und ist insbesondere die Vermeidung von Leitungsverlusten (bis 40 % bei Hochspannungsmasten). Die Firma Vaillant gerade in einem europaweiten Feldversuch über 30 Geräte mit einer Leitstelle vernetzt um ein "virtuelles Kraftwerk" zu schaffen.

Weblinks

Siehe auch: Wasserstoff Ölkrise Wasserstoffherstellung Wasserstoffspeicherung



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