Brennstoffzelle

Stichpunkte

Allgemein
	Bild nicht gefunden Mit Alkohol betriebene Brennstoffzelle Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle
	die die Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in nutzbare elektrische Energie umwandelt
	die als alternative Energiequelle viel diskutiert wird. Inhaltsverzeichnis showTocToggle("Anzeigen"
	Im Sprachgebrauch steht Brennstoffzelle meist synonym für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle
	"Verbergen") 1 Einordnung 2 Geschichte 3 Aufbau 4 Funktionsablauf 5 Brennstoffzellentypen 6 Anwendungen 6.1 mobil 6.2 stationär 7 Mikrobielle Brennstoffzellen 8 Verweise 8.1 Literatur 9 Weblinks [Bearbeiten]
Einordnung
	die sich aus der Verbrennung des chemischen Stoffes ergibt
	Die Erzeugung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern erfolgt heute zumeist mit Generatoren im Umweg über die Bewegungsenergie
	und damit potentiell effektiver zu sein
	Die Brennstoffzelle ist geeignet
	die Umformung ohne Umweg zu erreichen
	Außerdem sind Brennstoffzellen im Vergleich mit Generatoren einfacher aufgebaut
	und können potentiell zuverlässiger und abnutzungsfester als diese sein
	Diese Effekte sind jedoch teilweise noch nicht technisch realisiert. Ökologisch besonders bedeutsam ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle
	Wasserstoff kann durch Einsatz erneuerbarer Energien gewonnen werden
	während der Sauerstoff aus der Erdatmosphäre zugeführt werden kann
	So kann zum Beispiel Solartechnik genutzt werden
	um den Wasserstoff mittels Elektrolyse aus Wasser zu gewinnen
	Space Shuttle) und für U-Boot-Antriebe verwendet
	Damit ist dieser Energiewandler einer der Hoffnungsträger für eine nachhaltige Energieerzeugung. Die Technik der Brennstoffzellen wird bereits jetzt für die Gewinnung von elektrischer Energie in der Raumfahrt ( Apollo
	ist derzeit noch nicht absehbar
	Eine breite gesellschaftliche Akzeptanz der Technologie
	mit der die Technik-Reife auch für kleinere Fahrzeuge weitergetrieben werden könnte
	wann diese gelöst werden können
	Durch den ökologischen Bezug wird die Forschung auch mit öffentlichen Geldern unterstützt. Bei einer Reihe von Problemen für kleinere Antriebe ist noch nicht abzusehen
	Bei der Wasserstoff-Brennstoffzelle wird die Wasserstoffspeicherung von einigen Herstellern immer noch als problematisch angesehen
	und mit zunehmendem Forschungserfolg finden sich schrittweise neue Einsatzfelder
	Es gibt aber auch für PKWs bereits eine Reihe von Anwendungen
	Die besonders diskutierte Verdrängung des Verbrennungsmotors in der Automobiltechnik auf breiter Front scheint jedoch noch weit entfernt. [Bearbeiten]
Geschichte
	Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde bereits 1838 von Christian Friedrich Schönbein entdeckt [1] (http://www.ebz-dresden.de/de/fuelcell/history.html)
	indem er zwei Platindrähte in einer Elektrolytlösung (wahrscheinlich Schwefelsäure) mit Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff umspülte und zwischen den Drähten eine Spannung feststelle. 1839 veröffentlichte Schönbein diese Ergebnisse
	Im selben Jahr schrieb Sir William Grove eine Notiz über das "Batterisierte" Knallgas und wandte diese Erkenntnisse in Zusammenarbeit mit Schönbein in mehreren Versuchen an
	Aufgrund der Erfindung der Dynamomaschine durch Werner von Siemens geriet die von ihm "Galvanische Gasbatterie" getaufte Erfindung zunächst in Vergessenheit
	da die Dynamomaschine in Verbindung mit der Dampfmaschine relativ einfach und unkompliziert bezüglich Brennstoff und Materialien war
	Ihre Renaissance erlebte die Brennstoffzelle ab den 1950er Jahren mit der beginnenden Raumfahrtforschung
	Sie gewinnt seitdem kontinuierlich an Bedeutung
	Auf Island wird sie im Zuge der eingeführten Wasserstoffwirtschaft bald flächendeckend eingesetzt. [Bearbeiten]
Aufbau
	die durch eine Membran oder Elektrolyt voneinander getrennt sind
	Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden
	Methan
	der dort oxidiert wird
	Glukoselösung)
	Methanol
	Die Anode (Pluspol) wird mit dem Brennstoff umspült (zum Beispiel Wasserstoff
	Wasserstoffperoxid
	das dort reduziert wird
	Die Kathode (Minuspol) wird mit dem Oxidationsmittel umspült (zum Beispiel Sauerstoff
	Kaliumthiocyanat)
	Die verwendeten Materialien sind unterschiedlich
	Siehe Brennstoffzellentypen
	Nickel
	oder Nano-Carbon-Röhrchen
	Die Elektrodenplatten / Bipolarplatten bestehen meist aus Metall
	dadurch wird eine höhere Effizienz erreicht
	Zur besseren Katalyse sind sie mit einem Katalysator (zum Beispiel Platin oder Palladium) beschichtet
	Keramiken oder Membrane dienen
	Als Elektrolyten können beispielsweise gelöste Laugen oder Säuren
	Alkalikarbonatschmelzen
	23 Volt
	Die gelieferte Spannung liegt theoretisch bei 1
	werden mehrere Zellen zu einem so genannten Stack in Reihe geschaltet
	Sie ist vom Brennstoff und Qualität der Zelle abhängig. Um eine höhere Spannung zu erhalten
	beispielsweise aus leitfähigen Kunststoffen (durch Zugabe zum Beispiel von Carbon-Nanoröhrchen elektrisch leitend gemacht); Poröse Carbon-Papiere; Reaktivschicht
	Bei der Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEMFC) ist der Aufbau wie folgt: Bipolarplatte als Elektrode mit eingefräster Gaskanalstruktur
	meist auf die Ionomermembran aufgebracht
	Protonenleiter (Ionomer) und Porosität miteinander in Kontakt; Protonenleitende Ionomermembran: gasdicht und nicht elektronenleitend; wie 3); wie 2); wie 1) [Bearbeiten]
	Elektronenleiter (Ruß oder Carbon-Nanomaterialien)
	Hier stehen die 4 Phasen Katalysator (Pt)
Funktionsablauf
	Bild nicht gefunden Brennstoffzelle - Funktionsprinzip Der Brennstoff - beispielsweise Wasserstoff - wird an der Anode katalytisch in Kationen umgewandelt
	Das sind beim Beispiel Wasserstoff H+-Ionen
	Dies geschieht unter Abgabe von Elektronen an die Anode
	Diese Elektronen fließen über einen elektrischen Verbraucher - zum Beispiel eine Glühlampe - zur Kathode
	An der Kathode wird das Oxidationsmittel - i.d.R
	Sauerstoff - durch Aufnahme der Elektronen zu Anionen
	Die negativ geladenen Sauerstoff-Ionen reagieren mit den im Elektrolyt zur Kathode gewanderten H+-Ionen zu Wasser
	Reaktionsgleichungen: <math>Anode: 2 H_2 to 4 H^+ + 4 e^-<math> Elektronenabgabe <math>Kathode: O_2 + 4 H^+ + 4 e^-to 2 H_2O<math> Elektronenaufnahme <math>Gesamtreaktion: 2 H_2 + O_2 to 2 H_2O<math> Redoxreaktion [Bearbeiten]
Brennstoffzellentypen
	2 MW 650 °C Entwicklung SOFC - Solid Oxide Fuel Cell Oxidkeramischer Elektrolyt Wasserstoff
	Bezeichnung Elektrolyt Anodengas Kathodengas Leistung Betriebstemperatur Stand AFC - Alkaline Fuel Cell Kalilauge Wasserstoff Sauerstoff 20 kW unter 80 °C kommerziell/Entwicklung PEMFC - Proton Exchange Membrane Fuel Cell Polymermembran Wasserstoff Luftsauerstoff bis 250 kW unter 120 °C
	Methan
	Kohlegas Luftsauerstoff ab 100 kW 900-1000 °C Entwicklung [Bearbeiten]
	Kohlegas Luftsauerstoff 2
	kommerziell/Entwicklung DMFC - Direct Methanol Fuel Cell Polymermembran Methanol Luftsauerstoff 90-120 °C kommerziell/Entwicklung PAFC - Phosphoric Acid Fuel Cell Phosphorsäure Wasserstoff Luftsauerstoff 11 MW 200 °C Entwicklung MCFC - Molten Carbonate Fuel Cell Alkalikarbonatschmelzen Wasserstoff
	Methan
Anwendungen
	Die ersten Anwendungen der Brennstoffzellen ergaben sich in Bereichen
	in denen die Kosten keine Rolle spielten
	dagegen die spezifischen Vorteile gegenüber billigen Dieselgeneratoren überwiegen
	Brennstoffzellen sind leichter und effizienter als Akkumulatoren und zuverlässiger und leiser als Generatoren
	So erklärt sich das frühzeitige Interesse des Militärs und der Raumfahrt an dieser Technologie
	dass die Erdölvorkommen der Erde begrenzt sind (Ölkrise) und eine Fortsetzung des lukrativen Autogeschäfts in der "Zeit-nach-dem-Erdöl" wünschenswert ist
	Die Motivation für zivile Anwendungen findet sich auch in der Einsicht
	Förderlich für die erheblichen Anstrengungen in der Forschung war insbesondere der "Zero emission act" bzw das Zero Emission Vehicle mandate (ZEV)
	das vorschreibt
	dass Autos zukünftig abgasfrei fahren sollen
	ein Gesetz in den USA
	Für das Jahr 2003 war vorgesehen
	dass 10% aller neuzugelassenen Fahrzeuge in Kalifornien diesem Gesetz unterliegen sollten
	Kurz zuvor wurde jedoch aufgrund massiven Drucks der amerikanischen Automobilindustrie das ZEV gekippt
	ist jedoch unter dem gegenwärtigen Gouvernor Californiens weiterhin in Diskussion. [Bearbeiten]
mobil
	Drei Alternativen des Wasserstoffspeichers (Druckflasche
	Metallhydrid) sind zur Serienreife entwickelt
	flüssiger Wasserstoff
	Ford
	Honda
	deren Treibstoff Wasserstoff ist
	Opel) forschen seit zum Teil 20 Jahren an Automobilen
	Mehrere Automobilfirmen (unter anderem DaimlerChrysler
	und die Brennstoffzellen zur Energieumwandlung sowie einen Elektromotor zum Antrieb nutzen
	Ein Beispiel sind die Fahrzeuge NECAR 1 bis NECAR 5 von DaimlerChrysler
	Das schweizerische Hy-Light Fahrzeug rückte 2004 ins Licht der Öffentlichkeit
	Durch den verstärkten Einsatz von emissionsfreien Fahrzeugen (Zero Emission Vehicle) in Ballungszentren und Großstädten erwartet man sich eine Verbesserung der dortigen Luftqualität
	Ein Nebeneffekt ist allerdings
	wo der Wasserstoff hergestellt wird
	soweit dies nicht aufgrund regenerativer Verfahren erfolgt. Die bislang auch für kleinere Fahrzeuge bereits serienreif verfügbaren Lösungen haben zum Ziel die Größe und das Gewicht der Brennstoffzelle zu reduzieren und eine geeignete Lagerung des Wasserstoff zu ermöglichen
	dass die Emissionen vom Ort der Fahrzeugnutzung dorthin verlagert werden
	auch für kleine Fahrzeuge entwickelt
	DaimlerChrysler hat mit seinen Hybrid-Fahrzeugen der Mercedes-Benz A-Klasse inzwischen eine praxistaugliche Lösung
	Für Busse ist diese Technik bereits schon so weit entwickelt
	dass beispielsweise in Hamburg und Stuttgart Wasserstoffbusse im normalen Linienbetrieb getestet werden
	Andere Verkehrsunternehmen zeigen ebenfalls reges Interess an dieser Technoloige
	insbesondere U-Booten ist Deutschland inzwischen Weltmarktführer für die Herstellung von Wasserstoffantrieben
	Bei Großfahrzeugen
	von denen kurz vor Gebrauch der Wasserstoff abkatalysiert wird
	Methanol oder andere Kohlenwasserstoffe
	Die Nordseewerke Emden in Kooperation mit HDW liefert dies sog. "U-Boot Klasse 212" seit 2003 aus. [2] (http://www.hdw.de) Mögliche alternative Treibstoffe sind Ethanol
	was die ansonsten perfekte Umweltverträglichkeit der Brennstoffzelle einschränkt. [Bearbeiten]
	Dieses Verfahren erzeugt jedoch nennenswerte Mengen an CO2
stationär
	die bisherigen Generatoren in der Kraft-Wärme-Kopplung zu verdrängen
	sind die Erdgas-Brennstoffzellen derzeit dabei
	Während die ökologisch als besonders vorteilhaft beurteilten Wasserstoff-Brennstoffzellen noch technische Probleme aufweisen
	Dabei handelt es sich um stationären Anwendungen
	oder in kleinerer Ausführung zur örtlichen Versorgung eines Gebäudes
	etwa als Blockheizkraftwerk für ein größeres Einzugsgebiet
	Bei diesen Geräten wird Erdgas durch einen Reformer zu Wasserstoff umgewandelt und der Brennstoffzelle zugeführt
	zum anderen kann die entstehende Abwärme für die Brauch- und Heizwasser-Erwärmung verwendet werden
	So wird zum einen Strom gewonnen
	Ziel der dezentralen Strom- und Wärmeerzeugung ist insbesondere die Vermeidung der enormen Leitungsverluste von bis zu 40 % durch die Übertragung im Hochspannungsnetz der Energieversorger. [Bearbeiten]
Mikrobielle Brennstoffzellen
	Über eine so genannte mikrobielle Brennstoffzelle sollen sich künftige Robotergenerationen selbst mit Treibstoff und Energie versorgen können
	Mikroben in dieser Brennstoffzelle setzen die in organischem Material enthaltene Energie in Elektrizität um Diese Technik könnte auch für Agrarwirtschaften von Entwicklungsländern vorteilhaft sein
	wo mit diesem neuen Ansatz aus Biomasse direkt Strom erzeugt wird
	da beim jetzigen Forschungsstand die Effizienz der Umwandlung zu gering ist. [Bearbeiten]
	Dies ist jedoch ferne Zukunft
Verweise
	Wasserstoffherstellung
	Wasserstoffspeicherung [Bearbeiten]
	Ölkrise
	Siehe auch: Wasserstoff
Literatur
	Peter Kurzweil: Brennstoffzellentechnik
	Sixth Edition
	ISBN 3528039655 Fuel Cell Handbook
	Vieweg
	2003
	EG&G Technical Services
	Science Applications International Corp.
	Under Contract No
	Inc.
	U.S
	DE-AM26-99FT40575
	Dept. of Energy
	Office of Fossil Energy
	W
	Morgantown
	National Energy Technology Laboratory
	November 2002. Sven Geitmann: Wasserstoff & Brennstoffzellen – Die Technik von morgen!
	BoD GmbH 2002
	ISBN 3831132739 [Bearbeiten]
	Virginia
Weblinks
	Grundlagen
	Zelltypen (http://www.innovation-brennstoffzelle.de/bzelle/intro0.html) Vortrag mit Geschichte
	Elektrochemisches Labor
	gut strukturiert (http://www.innovation-brennstoffzelle.de/) Verschiedene Zelltypen (diebrennstoffzelle.de) (http://diebrennstoffzelle.de/zelltypen/index.shtml) Strombasiswissen - Brennstoffzellen (http://www.udo-leuschner.de/basiswissen/SB131-002.htm) Geschichte (http://members.aol.com/javorberg/FC_fr.htm) Geschichte
	Prinzip
	Elektrochemisches Labor
	Fuel Cell Systems (http://ecl.web.psi.ch/fc_systems/index.html) Hausenergiesysteme mit Brennstoffzellen - Übersicht und Entwicklungsstand (http://www.bine.info/templ_meta.php/publikationen/projektinfo/336/link=clicked&search_year=2004/) Bundesregierung: Erstes Zero-Emission-Car soll in Deutschland in Serie gehen (2001) (http://www.bundesregierung.de/dokumente/Pressemitteilung/ix_58754.htm) Mikrobielle Brennstoffzellen (http://www.wissenschaft.de/sixcms/detail.php?id=244708) DMFC.com (http://www.dmfc.com/) - Informationen und News zur DMFC The Fuel Cell Way (http://www.fcway.com/index_de.HTM) Umfassende Informationen zu Brennstoffzellen und Wasserstoff. www.diebrennstoffzelle.de-Infoportal zur Brennstoffzelle KOSMOS Experimentierkasten BRENNSTOFFZELLE (http://www.google.de/search?q=kosmos%20brennstoffzelle) (für Schüler zum Sonderpreis (http://www.anno-time.de/shop/catalog/product_info.php?cPath=73&products_id=118.de)) da:Brændselscelle en:Fuel cell fr:Pile à combustible it:Pila a combustibile ja:燃料電池 nl:Brandstofcel pt:Célula combustível vi:Tế bào nhiên liệu
	Fuel Cells (http://ecl.web.psi.ch/fuelcell/index.html) Paul Scherrer Institut (CH)
	etc. der Brennstoffzelle (http://www.uni-bayreuth.de/departments/didaktikchemie/umat/brennstoffzelle/brennstoffzelle.htm) Paul Scherrer Institut (CH)
	Portal zur Energieforschung: Thema Brennstoffzelle (http://www.bine.info/templ_main.php/energieerzeugung/brennstoffzellen) Schulaufsatz und Bilder zur Brennstoffzelle (http://www.fuelcell.tk/) Wasserstoff und Brennstoffzellen Informationssystem (hyweb.de) (http://www.hyweb.de/) Basisinformationen

[X] Schliessen

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