Ingeniero

Die Brennstoffzelle

1. Geschichte Im Jahr 1838 fand der Professor Christian Friedrich Schönbein (1799 bis 1868) von der Universität Basel experimentell heraus, dass Elektrizität freigesetzt werden kann, wenn Wasserstoff mit Sauerstoff (oder Chlor) reagiert. Der walisische Richter Sir William R. Grove deutet dieses Phänomen als die Umkehrung der Elektrolyse und erkannte, dass auf diese Weiseelektrische Energie erzeugt werden kann. Er schaltete mehrere einzelne Elemente in Reihe und nannte seine Vorrichtung 'Gasbatterie' (1839). Damals wurde kaum Notiz von seiner Arbeit genommen, aber jetzt im nachhinein gilt er als der Erfinder der Brennstoffzelle. Erste Forschungsarbeiten gab es um 1945 von Francis Bacon, der sein Modell einer alkalischen Brennstoffzelle in einer Badewanne entwarf.Intensiviert wurden die Entwicklungsarbeiten jedoch erst in den neunziger Jahren.

2. Anwendungsgebiete a) in Kleineinheiten zur Strom- und Wärmeversorgung von Haushalten b) als Kraftwerke (stationäre Energie-Versorger) für Wohnanlagen und öffentliche Gebäude (z.B. RhönKlinikum in Bad Neustadt) c) Brennstoffzellen als Fahrzeug-Antrieb (z.B. necar 5 von Daimler Chrysler)

d) Akku-Ersatz inHandys, Handyladestationen, Laptops u. anderen tragbaren Elektrogeräten

e) in der Raumfahrt, wo das gebildete Wasser als Trinkwasser für Astronauten genutzt wird f) beim Militär, z.B. bei der Marine in U-Booten zur Energiegewinnung. g) Herzschrittmacher (noch Forschungsarbeit) 3. Funktionsweise Die Frage: 'Was passiert in einer Brennstoffzelle?' kann ganz knapp beantwortet werden: Die Elektrolysewird umgekehrt. Bei der Elektrolyse handelt es sich um die Auftrennung (Spaltung) von Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff. Wird dieser Vorgang umgekehrt, entstehen demnach bei der Vereinigung von Wasserstoff und Sauerstoff elektrischer Strom und Wasser. Vergleichbar mit der Knallgas-Reaktion : ebenfalls Wasserstoff und Sauerstoff als Ausgangsprodukte beteiligt,aber in einem ganz bestimmten Verhältnis (1:2), damit es zu einer derart lauten Reaktion kommt. Ist eine Variable nicht richtig eingestellt passiert gar nichts. Demzufolge kann es in einer Brennstoffzelle zu keiner Knallgas-Reaktion kommen. Man spricht bei diesem Vorgang vielmehr von der 'kalten Verbrennung'. Aufbau: Das Herz einer PEM- Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, der Anode(Pluspol) und der Kathode (Minuspol), die durch eine Ionen- durchlässige Polymer-Membran getrennt sind. Dieser Elektrolyt ist ca. 0,1 mm dick und ähnelt einer Folie für Overhead-Projektoren. Membran :- gasdicht, damit Wasserstoff und Sauerstoff nicht direkt miteinander reagieren - elektrisch isolierend, damit Elektronen nicht passieren können -Protonen- durchlässig, Wasserstoff-Ionen dürfen passierenElektrolyt-Material : Niedertemperatur-Bereich: einige wenige Säuren oder Basen Hochtemperatur-Bereich: Oxid-Keramiken und Karbonate. Elektroden: hohe Porosität, damit eine große Oberfläche für die elektrochemischen Umsetzungen zur Verfügung steht (mit einer dünnen, katalytisch wirkenden Edelmetall-Schicht überzogen) Katalysatoren-Materialien: Platin oder Platin-Legierungen verwendet, da die Membranstark sauren Charakter aufweist (vergleichbar mit Schwefelsäure) und niederwertige Metalle angreifen würde. Katalysatoren können chemische Reaktionen ermöglichen bzw. beschleunigen, nehmen selber aber nicht an der Reaktion teil. Sie werden folglich nicht verbraucht oder abgenutzt. Kraftstoff wird durch Graphitplatten (Bipolar- Platten) zugeführt, in die feine Gänge gefräst sind. Durch diese Gängewird auf der einen Seite Wasserstoff und auf einer anderen Seite Luft bzw. Sauerstoff zugeführt Auf der Anoden-Seite muss die Membran befeuchtet und auf der Kathoden-Seite muss das Reaktionsprodukt Wasser entfernt werden. Gleichzeitig muss die Wärme aus dem Stapel abgeführt und soweit möglich nutzbar gemacht werden. Der an der Anode zugeführte Wasserstoff teilt sich mit Hilfe des Katalysators in...