Die Brennstoffzelle

Wilhelm Alexander Frömgen
13.01.1999
Die Brennstoffzelle
Wasser als Abgas
Die Brennstoffzelle ist die modernste Energiequelle die uns bekannt ist. Sie hat seit Jahren einen festen
Platz in der Raumfahrt und seit 1½ Jahren forscht man für zivile Zwecke. Mercedes-Benz plant z.B. ein
Auto, das mit einer Brennstoffzelle angetrieben wird.
Wasserstoff, ein besonderer Energieträger
Wasserstoff ist ein ganz besonderer Energieträger. Erstens kommt er in gebundener Form in riesigen
Mengen vor, und zweitens kann er beliebig reproduziert werden, d.h. er ist ein unerschöpflicher Stoff auf
unserem Planeten Erde. Er ist z.B. generierbar aus allen pflanzlichen Kohlenwasserstoffen oder direkt aus
Wasser mit Hilfe solarer Energie, wie Wärme, Licht, Wind, Wasserkraft, etc. Unerschöpflich, weil
regenerativ, erneuerbar, solange die Sonne auf die Erde scheint: Wasserstoff ist auch deshalb ein
besonderer Energieträger, weil sein Verbrennungsprodukt Wasser ist.
Brennstoffzellensysteme als
Kraftwerke
Solarzellen erzeugen
elektrische. Energie; aber
diese Energie ist von der
Sonne abhängig. Weil der
Mensch auch nachts
Energie benötigt, ist eine
Energieversorgung nur mit
solaren Energien nicht
möglich. Es sei denn, man
würde tagsüber die
überschüssige Energie in
einem HoffmanschenZersetzungsaparat zur
Wasserstoffgewinnung
einsetzten. Den erzeugten
Wasserstoff kann man fast
ohne Verluste speichern
und bei Bedarf ( in diesem
Beispiel: nachts und bei
geringer Lichtstärke ) ,
unter Verwendung einer
Brennstoffzelle abrufen.
Was versteht man unter einer Brennstoffzelle?
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, die chemisch gebundene
Energie eines Energieträgers mit hohem Wirkungsgrad in elektrische Energie
umwandelt. Brennstoffzellen sind also Energiewandler. In der Regel ist ein
derartiger Energieträger ein Brennstoff, der mit einem Oxydanten durch
Oxidation seine Reaktionsenergie zur Verfügung stellt. In der Brennstoffzelle
findet diese Umwandlung auch statt. Man spricht hier von einer „kalten
Verbrennung“, weil der Vorgang auch bei niedriger Temperatur stattfinden
kann. Ein besondere Vorteil von Brennstoffzellen ist, daß zur Energieerzeugung
keine bewegten Teile erforderlich sind.
Direktumwandlung von
chemisch gebundener
Energie in elektrische
Energie mittels
Brennstoffzelle
Funktionsweise einer Niederdruck-, Niedertemperatur-, selbstatmende
Brennstoffzelle
Die Niederdruck-, Niedertemperatur-, selbstatmende Brennstoffzelle benötigt als Brennstoff reinen
Wasserstoff und zur Oxidation nur Luft, bzw. den darin enthaltenen Sauerstoff. Der Wasserstoff besteht
aus 2 Wasserstoffatomen, welche jeweils 1 Proton und 1 Elektron besitzen. Der Sauerstoff besitzt 6
Protonen und 6 Elektronen. Desweiteren ist in der Valenzschale noch „Platz“ für 2 weitere Elektronen, z.B.
für die des Wasserstoffs. Vereinfacht kann man sich die Brennstoffzelle so vorstellen:
Der Zelle wird Wasserstoff angeboten. Er liegt jedoch molekular vor und ist deshalb nicht reaktionsfähig. Er
muß erst in Wasserstoffradikale umgewandelt werden, was durch einen Platin-Katalysator auch bei
Raumtemperatur möglich ist.
Es finden folgende Reaktionen statt:
H2  2H und 2H  2H+ + 2eJedes Wasserstoffatom gibt sein Elektron ab und wandert als H+ - Ion durch einen Elektrolyten, in diesem
Fall eine Teflon ähnliche Polymerfolie. Weil diese Folie nur Protonen durchläßt heißt sie: PEM (ProtonExcange-Membrane oder Polymer-Elektrolyte-Membrane).
An der Sauerstoffseite findet folgendes statt: Der Sauerstoff reagiert kurzfristig mit 2 H-Ionen und 2
Elektronen zu H2O2. Bei einer weiteren Aufnahme von 2 H-Ionen und 2 Elektronen zu 2 Molekülen Wasser.
Bei diesem Vorgang ensteht an der Wasserstoffseite ein Elektronenüberschuß und an der Sauerstoffseite
ein Elektronenmangel, also baut sich eine Spannung auf. Wenn die beiden Seiten nun verbunden werden,
so fließt ein Strom, der durchaus in der Lage ist einen Verbraucher anzutreiben.
Die Reaktion auf der Sauerstoffseite lautet:
O2 + 4H+ + 4e-  2*H2O
Dabei ensteht eine Spannung von
In der Praxis sind es bei Sauerstoffatmung:
Luftatmung:
1,229 V
1,05 V
0,95 V
Vergleichswerte zum Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle liegt bei
Der Wirkungsgrad eines Kohlekraftwerks bei
Der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors bei 35%.
Der Wirkungsgrad eines Autos bei
Gewicht-Leistungs-Verhältniss
Außerdem ist das Gewicht-Leistungs-Verhältniss
der Brennstoffzelle besser als das von
Akkumulatoren. Deshalb werden sie gerne in der
Raumfahrttechnik eingesetzt.
57%.
36%.
16%
Gewicht
Leistung
Gewicht/
Leistung
Verhältniss
265gr
/ 166 Wh
21gr
/ 0,6 Ah
*1,2 V
1,5963 g/Wh
42 g/Wh
1
26
Vorteile:
Nachteile:
Hoher Wirkungsgrad
verschleißfrei
Unabhängig
Explosiver Brennstoff
hohe Anschaffungskosten
schlecht nutzbarer Energie ( niedrige Spannung,
hoher Strom )
beinahe Wartungsfrei
geringe Betriebskosten
Technische Daten:
Typ:
Membran:
Aktive Fläche:
Katalysator:
Gasdifusionslayer:
Elektroden:
Leerlaufspannung:
Kurzschlußstrom:
Nennleistung:
Leistung:
Betriebsdauer mit
einer Füllung:
ges. Gewicht:
Niederdruck-, Niedertemperatur-, selbst-luftatmende Brennstoffzelle
PEM (Proton-Excange-Membrane)
12cm²
Platin schwarz
Kohlefaserpapier
Stahl vergoldet
930 mV
4000mA bei 80 mV
max. 1000 mW
ca. 166 Wh
ca.1 Woche
265 gr.