Referat " BRENNSTOFFZELLE "

"Andreas Boll" <[email protected]>
Referat " BRENNSTOFFZELLE "
Der Erfinder:
Sir William Robert Grove entdeckte 1839 die prinzipielle
Arbeitsweise der heutigen Brennstoffzelle. In seiner
sogenannten „GASKETTE“, eine Kombination von Wasserstoffund Sauerstoffumspülten Platinenelektronen in Schwefelsäure,
erzeugte er eine elektrische Spannung von etwa einem Volt.
Das Hauptproblem bei dieser Konstruktion war die mangelnde
Stabilität der verwendeten Werkstoff. Als dann Werner von
Siemens den Drehstrohmgenerator entwickelte, fiel die
Brennstoffzelle komplett in den Hintergrund. Als man daraufhin
in den 60er Jahren aus militärischem Zweck und für die
Raumfahrt auf die Brennstoffzelle zurückgriff, weil man auf
geringe Größe und Gewicht, anstatt auf den Preis geachtet hat.
Heutzutage wird international an der Entwicklung der
Brennstoffzelle gearbeitet. Die Brennstoffzelle erlebt momentan
sozusagen eine Renaissance.
Aufbau und Funktion:
Brennstoffzellen kommen ohne Turbinen und Generatoren aus.
Sie wandeln chemische Energie auf direktem Weg in
elektrische Energie um.
Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden und dem
Elektrolyten. Die Anode wird mit dem Brennstaoff (z.B.
Wasserstoff) und die Kathode mit dem Oxidationsmittel
(Sauerstoff) versorgt, der Elektrolyt verbindet die beiden
Elektroden miteinander. An der Anode (Minuspol) wird der
Brennstoff oxidiert. Die dabei abgegebenen Elektronen fließen
über den äußeren Stromkreis zur Kathode (Pluspol). Hier wird
das Oxidationsmittel durch Elektronenaufnahme reduziert.
Durch den Elektronenzufluss kann im Äußeren Stromkreis
Arbeit verrichtet werden. Der Ladungstransport in der
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Brennstoffzelle wird durch die Ionenbewegung im Elektrolyten
realisiert. Eine Brennstoffzelle liefert also wie eine Batterie oder
ein Akkumulator elektrische Energie. Der wesentliche
Unterschied besteht darin, dass bei der Brennstoffzelle die
Elektroden selbst nicht chemisch umgewandelt werden. Bei
ständiger Brennstoffzufuhr kann kontinuierlich elektrische
Energie entnommen werden. Eine einzelne Zelle liefert eine
Gleichspannung von weniger als 1 Volt. Will man technisch
nutzbare Spannung erzielen, schaltet man zahlreiche
Einzelzellen in Serie. Aus Einzelzellen werden sogenannte
Zellenstapel (Stacks) sandwichartig aufgebaut. Technisch
erreichen solche Stacks Spannungen bis etwa 200 Volt.
Brennstoffzellen – Blockheizkraftwerke:
Die Kraft – Wärme – Kopplung, die gleichzeitige Bereitstellung
von Strom und Wärme, ist in Form von Blockheizkraftwerken
bereits ein stetig wachsender Markt. Der Leistungsbereich
reicht hier von einigen kW zur Versorgung von Wohneinheiten
bis zu mehreren MW für beispielsweise Krankenhäuser.
Brennstoffzellen werden mit PAFC – Brennstoffzellen betrieben.
Sie werden mit Erdgas betrieben und erzeugen bis zu
200 kW Wärmeleistung. Der elektrische Wirkungsgrad beträgt
40% und der thermische Wirkungsgrad beträgt bis zu 45%, so
dass die Energie zu 85% ausgenutzt wird. Die wesentlichen
Systemkomponenten für ein PAFC – Blockheizkraftwerke sind:
Reformer mit Konverter, Brennstoffzelle, Wärmetauscher und
Wechselrichter. Im Reformer wird das vorgereinigte Erdgas mit
überhitztem Wasserdampf vermischt und katalytisch bei etwa
800°C zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgesetzt. Das
Kohlenmonoxid reagiert dann im Konverter an einem
Katalysator bei etwa 250°C mit Wasserdampf zu Wasserstoff
und Kohlendioxid. Dieses Prozeßgas wird kontinuierlich der
Brennstoffzelle zugeführt.
Die Phosphorsäure – Brennstoffzellen haben bereits einen
hohen Entwicklungsstand erreicht. Ziel ist es, die hohen Kosten
von derzeit 5000DM auf 2000DM zu senken, um die
Wirtschaftlichkeitsgrenze zu erreichen.
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Die Verschiedene Typen:
Alkalische Brennstoffzelle -> wird besonders im Weltraum
eingesetzt, Sauerstoff und Wasserstoff werden in Tanks flüssig
mitgeführt. Es hat nur 1/10 von dem Gewicht das Batterien
haben.
Polymerelektrolytmembram Brennstoffzelle -> diese
Brennstoffzelle wird häufig bei Automobilen eingesetzt. Sie hat
die zwei- bis dreifache Effizienz gegenüber herkömmlichen
Verbrennungsmotoren.
Karbonatschmelze Brennstoffzelle -> sie hat einen sehr hohen
Wirkungsgrad von 50% bis 60%. Sie ist allerdings sehr teuer.
Oxidkeramische Brennstoffzelle -> sie hat niedrige
Systemkosten.
Direktmethanol Brennstoffzelle -> sie ist die absolut neuste
Brennstoffzelle und wird für den mobilen Einsatz benötigt.
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Brennstoffzellen für die Automobilindustrie:
Die Brennstoffzelle ist eine alternative Antriebsart für das Auto.
Mit der Brennstoffzelle können anstatt Verbrennungsmotoren
Elektromotoren Verwendet werden. BMW hat unter anderen
schon ein Auto mit Brennstoffzelle zum testen entwickelt. Das
Auto hat einen Tank der 140 Liter fast und dieser reicht für 400
Kilometer. Das Problem mit dem Platz für die 140 Liter löst
BMW so, dass sie das Gas extrem kühlen und dadurch
verflüssigen. Dadurch muss der Tank sehr gut isoliert sein,
damit die extreme Temperatur von - 253 °C nicht überstiegen
wird. Der Tank besteht aus 70 lagen Aluminiumfolie im Wechsel
mit Glasfiebermatten. Aber jedoch die beste Isolierschicht kann
verursachen dass siech der Tankinhalt am Tag um 1°C
erwärmt. Also muss das Auto regelmäßig gefahren werden, den
der Wasserstoffverbrauch senkt den Druck.
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Mercedes hat ebenfalls ein Testauto entwickelt, dass technisch
weiter ist. Das Auto „NECAR II“ wird nicht mit flüssigem
Wasserstoff sondern mit komprimiertem Gas betankt. Die
Experten der Automobilbauer sind der Meinung, dass die
Brennstoffautos schwer im kommen sind, da die Autos Strom
und Wasser produzieren. Jedoch keine Schadstoffe. Das
Prinzip ist schon länger bekannt als das des
Verbrennungsmotors. Jedoch immer noch wesentlich teurer. Im
„Necar II“ kommen
300 Brennstoffzellen zum Einsatz. Eine solche Zelle liefert 0,6
Volt. Somit liefern alle 300 Zellen eine Leistung von 33 kW. In
Autos werden die PEM – Brennstoffzellen verwendet. Diese ist
folgendermaßen aufgebaut: Eine Protonenleitende Folie aus
Kunststoff, die als Elektrolyt dient. Graphitpapier, das als
Elektrode dient und Platin, als Katalysatorersatz.
Vor- und Nachteile:
Nachteile:
- Kosten von derzeit 10 000 DM/kW sollten auf
50 – 200 DM/kW.
- Das Gewicht und Volumen der Brennstoffzelleneinheit sollte
reduziert werden.
- Die Infrastruktur sollte ausgebaut werden (Tankstellen)
- Das Auto sollte Akzeptiert werden.
Vorteile:
- Keine schädlichen Abgas
- Eigenproduzierend