Energie aus Brennstoffzellen

Eigentlich ist sie längst erfunden und längst bekannt, in Raumfähren zur Energieerzeugung genutzt, auch in manchen Bussen oder in Schiffen: Die Brennstoffstelle. Sie arbeitet umweltfreundlich und liefert aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie. Es bleibt lediglich Wasserdampf übrig.

Nachdenken über Brennstoffzellen
  • Hintergrund ↓
    Brennstoffzellenauto Sind Brennstoffzellen die Zukunft?
    Toyota FCV-R mit Brennstoffzellenantrieb Brennstoffzellenfahrzeuge sind in der Lage, unsere derzeit globalen Umweltprobleme einen sehr großen Schritt weit in den Griff zu bekommen. Leider sind es häufig nur Konzeptfahrzeuge die mit Brennstoffzellen arbeiten. Toyota ist führend in puncto Hybridtechnologie und arbeitet derzeit auch an Brennstoffzellen- bzw. Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugen.
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    Toyota-Konzeptfahrzeugs FCV-R
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    [Foto: Toyota]
  • regenerative Energiequellen → u.a. die Solarenergie, Wasserkraft [inklusive Gezeitenkraft], Windkraft, Geothermie, Bioenergie [aus Biomasse bzw. Energiepflanzen] - diese bilden die Grundlage für die umweltfreundliche Wasserstoffherstellung für die Brennstoffzelle
  • Außerdem → mit Brennstoffzellen gibt es heute auch schon Akku-Aufladegeräte für Handys oder Laptops, und auch Stadtverkehr-Busse fahren bereits erfolgreich damit, aber auch Experimentier- und Spielzeugautos sowie Satelliten und Schiffe
  • Geschichtliches → Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde bereits 1839 vom Baseler Professor Schoenbein und dem Engländer Grove entdeckt. Zum Einsatz kam es jedoch erst rund 100 Jahre später in der Raumfahrttechnik und als Antrieb von U-Booten. Die technisch brauchbare Brennstoffzelle wurde Anfang der 1960er Jahre beim amerikanischen Konzern General Electric entwickelt. Von da an spielten sie bereits in der Raumfahrt eine Rolle. Schon seit über 20 Jahren forscht man am Brennstoffzellen-Antrieb für Kraftfahrzeuge, die auf Wasserstoffbasis fahren. Beispielgebend waren ab 1991 die NECAR-Fahrzeuge von Mercedes-Benz. Auch andere Firmen wie z.B. Toyota, Honda, General Motors/Opel, BMW entwickeln inzwischen Fahrzeuge. Derzeit gibt es einige MAN-Busse mit Brennstoffzelle, die z.B. in Berlin in Betrieb sind.
  • NECAR → Daimler-Chrysler entwickelte so mit Brennstoffzellen betriebene New Electrical Cars [NECAR] sowohl als Großraumlimousine sowie auch PKW [NECAR4]. Ein NECAR2-Transporter hatte eine Höchstgeschwindigkeit von 110 km/h, 150 Brennstoffzellen im Heck sowie einen großen Wasserstoff-Drucktank im Dachgepäckträger und bietet 6 Personen Platz. PKW mit Brennstoffzellen arbeiten häufig auf Methanolbasis. Das erspart die schweren und Platz raubenden Drucktanks für Wasserstoff.
Prinzip einer PEM-Brennstoffzelle
  • Grundsätzliches → normalerweise findet zwischen Wasserstoff und Sauerstoff eine Knallgasreaktion [Explosion] statt; durch eine trennende Membran wird dies verhindert; die Elektrolyt-Membran dient dazu, die elektrochemische Reaktion von Brennstoff und Luft zu kontrollieren - durch Ladungstrennung entsteht dann eine elektrische Spannung [Elektronenwanderung]
  • Effektivität → Leistung eines modernen Brennstoffzellensystems bis zu 250 kW bei einem Wirkungsgrad von bis zu 60% je nach Typ [Vergleich: Wirkungsgrad eines Otto-Motors beträgt nur etwa max. 20% bei 100 kW Leistung; ein modernes Kohlekraftwerk arbeitet mit einem Wirkungsgrad von ca. 35%]
  • englische Abkürzung → je nach Typ unterschiedlich; PEMFC [Proton Exchange Membrane Fuel Cell] für Brennstoffzellen mit semipermeablen Membran als Elektrolyt [siehe Skizze]
  • Bauteile → eine Brennstoffzelle besteht aus Anode, Kathode [mit Katalysatoren wie Platin beschichtete poröse Flächen wie z.B. Metallplatten] und Elektrolyt-Membran [letztere muss man sich in etwa wie Folie vorstellen]; statt Membranen lassen sich auch andere Elektrolyte wie Säuren oder Laugen nutzen
  • Prinzip einer Brennstoffzelle [fuel cell] ↓
    Aufbau und Arbeitsweise einer einfachen PEM-Brennstoffzelle. Sie benötigt Wasserstoff und Luftsauerstoff. Wasserstoff ist sozusagen der Brennstoff. An der Anode werden Wasserstoffmoleküle in Wasserstoffionen und freie Elektronen gespalten. Mit Hilfe der Elektronen werden aus Sauerstoffmolekülen an der Kathode Oxidionen, die dann mit den Wasserstoffionen von der Anode [können die Membran passieren] Wasser bilden. Daher entsteht zwischen Anode und Kathode ein Stromfluss [Gleichstrom]. Die PEM-Brennstoffzelle arbeitet bei etwa 80°C und liefert ein relativ kaltes Abgas ohne schädliches Treibhausgas CO2. [messbare Spannung: 1,23 V]
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  • Energieumwandlung → chemische Energie in elektrische Energie
  • Anode [-] → 2 H24 H+ + 4 e-
  • Kathode [+] → 2 O2 + 4 H+ + 4 e-2 H2O
  • Gesamtreaktion [Redoxreaktion] → 2 H2 + O22 H2O
  • innerer Ladungstransport → mittels Wasserstoffionen H+ [eigentlich Oxoniumionen H3O+]
  • Brennstoffzellenstacks → normalerweise werden viele Brennstoffzellen zu Brennstoffzellen-Stapeln [Stacks] verschaltet [Reihenschaltung], um genügend Strom zu erzeugen
  • Brennstoffzellen-Stack ↓
    Reihenschaltung vieler Brennstoffzellen liefert entsprechend benötigte elektrische Energie. Elektroden [Anode, Kathode] und Membran sind dabei fest verpresst. Die einzelnen Brennstoffzellen werden durch Platten mit Rillen voneinander getrennt. In den Rillen werden die Gase H2 bzw. Luft-O2 oder Wasserdampf geleitet.
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verschiedene Brennstoffzellenkonzepte
  • Hintergrund → Man kann statt Wasserstoff auch andere Stoffe mitführen, z.B. Metallhydride oder Methanol - Wasserstoff wird daraus erst mobil erzeugt [diese Stoffe benötigen weniger Druck]
  • alkalische Brennstoffzelle [AFC] → als Elektrolyt wird hier Kalilauge verwendet; das mobile Ion ist dann das Hydroxidion OH- [und nicht Wasserstoffionen]; Arbeitstemperatur 80°C; benötigt meist reinen Sauerstoff [statt nur Luft]; älteste Brennstoffzellenart
  • Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle [PEMFC] → Details siehe auch vorherige TAB's [hier öffnen]; Elektrolyt ist eine Polymer-Membran [wie weiter oben beschrieben]; mobiles Ion ist das Wasserstoffion H+; Arbeitstemperatur bis zu 100°C
  • Direktmethanol-Brennstoffzelle [DMFC] → statt Wasserstoff nutzt man hier den Brennstoff Methanol [Anode]; Arbeitstemperatur bis zu 130°C
  • Ameisensäure-Brennstoffzelle → statt Wasserstoff nutzt man hier den Brennstoff Ameisensäure [Methansäure]; Arbeitstemperatur nur 30-40°C
  • Phosphorsäure-Brennstoffzelle [PAFC] → man nimmt als Elektrolyt Phosphorsäure; Brennstoff ist Wasserstoff; Arbeitstemperatur bis 200°C
  • Hinweis → es gibt noch diverse andere Typen
Einsatzgebiete
  • mobile Wasserstoff-Anwendungen → Kraftfahrzeuge, Raketen bzw. Raumfähren, Satelliten und Raumstationen, in der Schifffahrt, Aufladegeräte für Akkus [z.B. für Handys, Laptops]
  • Mini-Brennstoffzellen → direkt verbaut in Radios, Lampen, Notebooks, Handys, Tablet-PC's gibt es bereits
  • Grundprinzip des Fahrzeugantriebes → Fahrzeuge mit Brennstoffzelle werden mit Wasserstoff betankt; die Brennstoffzellen erzeugen mobil elektrischen Strom, der dann Elektromotoren antreibt
Vorteile der Brennstoffzellen
  • Kopplung von Brennstoffzellen und Fotovoltaik → mögliche Kopplung beider Verfahren; d.h. Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser mittels Solarzellen, dann Stromerzeugung mittels Brennstoffzelle, die den Wasserstoff nutzt [nur die Wasserstoffgewinnung aus regenerativen Energieträgern macht ökologisch Sinn und entlastet so die Umwelt]
  • ein Hauptvorteil → Brennstoffzellen sind mobil - somit ist man zum Aufladen von Akkus netzunabhängig
  • weitere Vorteile → sind ...
    • umweltfreundlich [es entsteht nur Wasser]
    • hoher Wirkungsgrad, viel Leistung
    • hohe Mobilität ohne Aufladezeiten [ohne Standzeiten]
    • ... etc.
Nachteile der Brennstoffzellen
  • ein Nachteil → wenn Fahrzeuge direkt mit Wasserstoff Brennstoffzellen betreiben, erfordert das schwere Druckgastanks [Materialaufwand, Energieaufwand für Komprimierung, schweres Fahrzeug]
  • Wasserstoffquelle → Wasserstoff muss nicht unbedingt aus regenerativen Energiequellen stammen und lässt sich auch aus Erdgas o.a. Rohstoffe gewinnen - damit geht der Umweltaspekt leider negativ aus
  • Umgebungstemperatur → Einsatz bis zu -20°C möglich [derzeit], da unterhalb des Gefrierpunktes des Wassers das Kalt-Starten der Brennstoffzelle immer problematischer wird
  • weitere Nachteile → sind ...
    • hohe Produktionskosten [für Brennstoffzellen sowie Fahrzeuge]
    • teilweise hochwertige und hochpreisige Materialien z.B. zum Bau der Brennstoffzellen erforderlich [je nach Typ]
    • Wasserstoff-Tankstellen sind selten
    • Elektrolyte wie Phosphorsäure oder Kalilauge sind stark ätzend; Methanol ist stark giftig [die Stoffe gelangen aber gar nicht nicht in die Umwelt, sondern sind nur bei Herstellung, Wartung bzw. Betankung mit Vorsicht zu genießen - es gibt eine schädlichen Abgase]
    • ... etc.
Elektroauto contra Brennstoffzelle
  • Alternative → zur Brennstoffzelle: Das Elektroauto?
  • Problem → Es liefert gar keine Abgase, aber wie wurde der Strom erzeugt, mit dem es "betankt" wurde? Aus Kohle, Erdöl oder Solarenergie?
  • Elektromobilität → Bereits 1899 gab es ein Elektroauto, das eine Spitzengeschwindigkeit von 100 km/h erreichte. Über 110 Jahre Technik und immer noch kein Durchbruch? Wie kann man endlich die Schadstoffbelastung mindern oder ganz abschaffen und so unsere Umwelt entlasten? Geschlafen hat man aber dennoch nicht ganz. Neue Antriebskonzepte haben eben noch zu hohe Anschaffungskosten, ein Netz z.B. von Elektro- oder Wasserstofftankstellen gibt es nur unzureichend und die Fahrleistungen sind nicht ganz so optimal. Jedenfalls gibt es sie schon in Serie, wenn auch leider zu teuer [und so kauft sie kaum jemand bzw. nur betuchte Kundschaft]. Autos mit Elektromotoren, die durch Akkumulatoren betrieben werden, arbeiten völlig abgasfrei. Eine Akkuladung reicht für ca. 100-200 km. Nachteilig sind allerdings die meist hohe Ladezeit und die vergleichsweise geringe Reichweite. Trotzdem sind schon viele Serienfahrzeuge erwerbbar (und besonders im Stadtverkehr eine Alternative).
  • großer Nachteil → zum Aufladen muss das Fahrzeug an die Steckdose [und kann so nicht benutzt werden]; ein Brennstoffzellen-Auto ist immer mobil
Hinweise und einige Fachbegriffe
  • PEM → Proton Exchange Membrane; Membran, die Anode und Kathode trennt, aber Wasserstoffionen [Protonen, H+] hindurch lässt
  • Stack → Brennstoffzellenstapel [Reihenschaltung von Brennstoffzellen]
  • semipermeabel → halbdurchlässig [z.B. eine Membran, die nur bestimmte Teilchen hindurch lässt, andere hingegen nicht - abhängig z.B. von Teilchengröße oder -ladung]
  • elektrische Spannung [U] → physikalische Größe, die angibt, wie viel Arbeit bzw. Energie notwendig ist, um ein Objekt mit einer elektrischen Ladung innerhalb eines elektrischen Feldes zu bewegen; Einheit ist das Volt [V]; die Spannung ist proportional mit der Stromstärke [I] verknüpft: U ~ I
  • elektrischer Strom → ist die Bewegung von Ladungsträgern [Elektronen oder Ionen]; dessen Stärke ist die Stromstärke [I] in Ampere [A]
Quellenangaben
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