ALTERNATIVE ANTRIEBE BRENNSTOFFZELLE. Die Brennstoffzelle

Transkript

1 Die Brennstoffzelle Um aus (regenerativ gewonnenem) Wasserstoff Strom zu erzeugen, verwendet man Brennstoffzellen. Bei einer Brennstoffzelle handelt es sich um eine besondere Art eines galvanischen Elements. Vom Prinzip sind alle Zellen gleich aufgebaut. Zwischen zwei Elektroden (der Anode und der Kathode) befindet sich ein Elektrolyt der den Ionen- (meist Protonen-) Austausch ermöglicht. Die Elektroden sind über einen äußeren Stromkreis verbunden. Der Unterschied zwischen den Zelltypen besteht im Elektrolyten und in den verwendeten Brenngasen. Auf den folgenden Seiten möchten wir Ihnen, neben einem kurzen Ausflug in die Geschichte der Brennstoffzelle, die unterschiedlichen Typen und ihre Anwendungsgebiete vorstellen. Die Funktion einer Brennstoffzelle soll Ihnen dabei anhand der PEM-Brennstoffzelle verdeutlicht werden. Jeremy Krämer, Norbert Salletmaier, Gerald Gugler 1

2 Die Geschichte Im Jahre 1839 wurde die Brennstoffzelle "erfunden". Der in Swansea, Wales, geborene Jurist und Physiker Sir William Robert Grove ( ) experimentierte zu dieser Zeit mit der Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff und stellte fest, dass sich dieser Prozess auch umkehren ließ. Schon bald stellte er eine "galvanische Gasbatterie" vor, die durch sogenannte kalte Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugen konnte. Diese erste Brennstoffzelle bestand aus zwei Platinelektroden, die in Schwefelsäure getaucht wurden. Um diese wurden Wasserstoff und Sauerstoff gespült. Da aber die messbare Spannung und der Stromfluss der Brennstoffzelle zu gering waren, konnte sich die Brennstoffzelle nicht gegen Erfindungen wie den Elektrodynamo oder den Verbrennungsmotor durchsetzen. Sir William Robert Grove Schema von Groves Brennstoffzelle Wilhelm Ostwald ( ), Direktor des ersten Lehrstuhls für physikalische Chemie in Leipzig, erkannte jedoch schon 1887 das Potenzial von Groves Brennstoffzelle: "Haben wir ein galvanisches Element, welches aus Kohle und dem Sauerstoff der Luft unmittelbar elektrische Energie liefert [...], dann stehen wir vor einer technischen Umwälzung, gegen welche die bei der Erfindung der Dampfmaschine verschwinden muss. Denken wir nur, wie [...] sich das Aussehen unserer Industrieorte ändern wird! Kein Rauch, kein Ruß, keine Dampfmaschine, ja kein Feuer mehr..." Seine Theorien bescheinigten der Brennstoffzelle einen Wirkungsgrad von 83% und lösten in den ersten 20 Jahren des 20. Jahrhunderts eine Welle von Konstruktionsvorschlägen aus. Die technische Entwicklung machte zu der damaligen Zeit jedoch keine großen Fortschritte, da man vor unlösbaren Werkstoffproblemen stand. Außerdem war die Wissenschaft noch nicht in der Lage, alle chemischen Vorgänge der Brennstoffzelle vollständig zu klären. Erste technische Verbesserungen der 1920er Jahre, mit denen man u.a. die Korrosion der Elektroden in den Griff bekam, brachten Fortschritte. In den 1960er Jahren wurde erstmals eine Brennstoffzelle an Bord von Satelliten des amerikanischen Raumfahrtprogramms und später sogar beim Apollo Mondflug eingesetzt. Kosten und der extreme Reinheitsgrad der benötigten Gasse spielten hierbei keine Rolle. Jeremy Krämer, Norbert Salletmaier, Gerald Gugler 2

3 Die PEM-Brennstoffzelle Die PEM-Brennstoffzelle in der Übersicht PEM-FC??? Elektrolyt??? Wirkungsgrad??? Anodengase??? Anwendungen??? Temperatur??? 0-80 C Leistung??? bis 250kW Zusatz??? CO-empfindlich Proton Exchange Membrane Fuel Cell Polymermembran 60% (H2) 40% (CH4) Wasserstoff Methanol Methan Stromversorgung Pkw/Bus Hausversorgung Blockheizkraftwerke Jeremy Krämer, Norbert Salletmaier, Gerald Gugler 3

4 Funktion der PEMFC Funktionsskizze der PEMFC (Bild: H-TEC) Bei einer PEM-Brennstoffzelle wird ein edelmetallhaltiger Katalysator eingesetzt, meistens handelt es sich hierbei um Platin. Ohne das Platin würden Wasserstoff und Sauerstoff nicht miteinander reagieren. Erst die Zufuhr der Aktivierungsenergie, z.b. durch einen Funken, würde die Reaktion explosionsartig ablaufen lassen. Das Elektrolyt ist eine Polymermembran, die nur Protonen durchlässt. Die Protonen und Elektronen entstehen an der Anode durch Oxidation von Wasserstoff. Hierbei entsteht an der Anode ein Gleichgewicht zwischen adsorbierten Wasserstoff- Molekülen und hydratisierten Wasserstoff-Ionen. Die Protonen, also die H+-Ionen, wandern durch die Membran zur Kathode, an der die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser stattfindet. Die für die Reduktion nötigen Elektronen fließen durch einen äußeren Stromkreis zur Kathode. Die hierbei stattfindende Aufladung der Elektroden bezeichnet man als Elektrodenpotential. Die bei der Reaktion zwischen den beiden Elektroden erzeugte Potentialdifferenz ist die treibende Kraft der Brennstoffzellenreaktion und lässt sich im äußeren Stromkreis in elektrische Arbeit umwandeln. Anode: 2H2(g) => 4H+ + 4e- Kathode: O2(g) + 4e- => 2 O2- Gesamtreaktion: 2H2(g) + O2(g) => 2H2O(g) Theoretisch lässt sich an einer PEM-Brennstoffzelle eine Ruhespannung von 1,23V messen. Diese ergibt sich aus den Standard-Elektrodenpotentialen. Allgemein gilt: U = UH0(Kationen) - UH0(Anionen). Daraus folgt für die PEM-Brennstoffzelle, die mit Sauerstoff und Wasserstoff betrieben wird: U = UH0(Sauerstoff) - UH0(Wasserstoff) = 1,23V - 0V = 1,23V. Jeremy Krämer, Norbert Salletmaier, Gerald Gugler 4

5 Funktion der PEMFC Das Elektrodenpotential der Wasserstoffhalbzelle ist definitionsgemäß 0V. Daraus ergibt sich dann die theoretisch mögliche Spannung von 1,23V. In der Praxis wird diese Spannung aber nicht erreicht; man erreicht nur Spannungen zwischen 0,6 bis 0,9V. Dies ist auf Spannungsverluste, die z.b. durch Reaktionshemmungen oder ungenügende Gasdiffusion auftreten können. Diese theoretisch frei werdende Spannung entspricht der Spannung, die man theoretisch mindestens bei der Elektrolyse von Wasser aufbringen muss. Aber auch bei einer Elektrolyse ist diese theoretische Spannung nicht ausreichend, da auch hier u.a. der ohmsche Widerstand des Elektrolyten zu überwinden ist und somit die Spannung höher sein muss. Die Brennstoffzelle kann je nach Typ und Brennstoff einen theoretischen Wirkungsgrad von 70% bis annähernd 100% erreichen. Da, wie eben schon erklärt, in der Praxis nicht die volle theoretische Spannung erreicht wird, liegt auch der tatsächliche Wirkungsgrad niedriger, zwischen 40% und 70%. Er entspricht dem Quotienten aus erreichter Spannung und theoretischer Spannung. Am Wirkungsgrad kann man das Verhältnis zwischen gewonnener und aufgewandter Energie ablesen. Jeremy Krämer, Norbert Salletmaier, Gerald Gugler 5

6 Necar: New Electric Car Auf der Basis eines MB100 begann die Technikstudie NECAR (New Electric Car) Daimler-Benz baute einen Transporter so um, des lediglich Fahrer und Beifahrer Platz fanden, die rund 800kg schwere Brennstoffzellen-Technik - immerhin 12 Stacks für 50kW - füllte die komplette Ladefläche. Die Reichweite betrug nur 100km pro Tankfüllung. Es gelang den Entwicklern jedoch zu zeigen, dass die Möglichkeit eines abgasfreien Antriebs für Automobile nicht unmöglich war. Das nächste Ziel sollte die Minimierung des Gewichts und des Volumens des Brennstoffzellen- Systems sein. Zwei Jahre später, 1996, wurde der NECAR 2 vorgestellt, der auf einer Mercedes-Benz V-Klasse basiert. Der Verkleinerung des Systems war geglückt und das Brennstoffzellen-Kraftwerk inklusive Elektromotor fand komplett unter der kurzen Haube Platz. Die Wasserstofftanks wurden unter dem Dach untergebracht. Somit war im Fahrzeug Platz für 6 Passagiere. Der NECAR 2 brachte im Vergleich zu seinem Vorgänger knapp eine Tonne weniger auf die Waage. Die Gewichtsreduzierung brachte eine Höchstgeschwindigkeit von 110km/h und eine Tankreichweite von 250km mit sich. Die neue Mercedes A-Klasse wurde schon 1997 zur Basis der dritten NECAR-Generation. Mit diesem weltweit ersten Brennstoffzellenfahrzeug mit eingebauten Wasserstoff-Reformer, der Methanol aus dem Tank beim Druck aufs Gaspedal direkt in Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid zerlegt, war der erste Schritt zur Antriebstechnik der Zukunft getan! Die ganze Brennstoffzellenanlage bestand nur noch aus zwei Stacks und konnte im Unterboden des Fahrzeugs untergebracht werden. Nur der Reformer füllte noch den ganzen Kofferraum aus. Eine Tankfüllung reichte nun schon für 400 Kilometer. 1996: Necar 2 Jeremy Krämer, Norbert Salletmaier, Gerald Gugler 6

7 Der Necar 4a wird in der kalifornischen Wüste getestet Die Basis des NECAR 4 war wiederum die A-Klasse, diesmal setzten man jedoch wieder auf reinen Wasserstoffbetrieb. Bei einer Reichweite von 450 Kilometer erreicht der NECAR 4 schon ansehnliche 140km/h Spitzengeschwindigkeit. Der Wasserstofftank wurde im Heck in einem zylindrischen Tank untergebracht. Trotz des Gastanks bot der NECAR 4 dennoch Platz für fünf Passagiere samt Gepäck. Im November 2000 stellte DaimlerChrysler kurz hintereinander zwei weitere Fahrzeuge vor. Der NECAR 4-advanced war der Prototyp für 15 A-Klasse-Fahrzeuge, die zur Praxiserprobung im Rahmen des California Fuel Cell Partnership in Kalifornien intensive Feld- und Fahrversuchen bestehen sollen. Das besondere in unterschied zum NECAR 4 war zum einen der veränderte BZ-Stack, desen Gewicht zwar um ein Drittel verringert werden konnte, dessen Leistung aber um 10% erhöht wurde. Die zweite Neuvorstellung, nur eine Woche nach dem NECAR 4a, war der NECAR 5. Bei diesem Modell setzte man wieder auf ein Brennstoffzellen-System mit Methanol- Reformer, dass jetzt jedoch vollständig im Unterboden des Fahrzeugs Platz gefunden hatte und damit den Passagieren wieder der gewohnte Stauraum zur Verfügung stand. 2000: Necar 5 Das voluminöse Gesamtsystem wurde in drei Jahren um die Hälfte verkleinert, wodurch man eine Gewichtsreduzierung um 300kg erreichte. Jetzt nur noch mit einem Brennstoffzellen-Stack betrieben, das 75kW Leistung erbringt, gewinnt der NECAR 5 an Fahrdynamik und Beschleunigung. Die Spitzengeschwindigkeit liegt jetzt bei 150km/h. DaimlerChrysler ist in sehr viele Projekten engagiert, um die Brennstoffzellen-Technologie im automobilen Bereich voran zu bringen. Neben der seit April 1999 aktiven "California Fuel Cell Partnership", eine Kooperation von Fahrzeugherstellern, öffentlichen Institutionen, Mineralölund Energielieferanten, arbeitet man im Projekthaus Brennstoffzelle in Nabern bei Stuttgart zusammen mit den Unternehmen Ballard Power Systems, XCellsis und Ecostar an der Weiterentwicklung des bestehenden Technik. Demonstrations- bzw. Erprobungsprojekte laufen in Nordamerika (zusammen mit UPS), Californien (CaFCP) und Japan. Jeremy Krämer, Norbert Salletmaier, Gerald Gugler 7

8 Die Brennstoffzelle im Straßenverkehr Die erste Anwendung einer Brennstoffzelle im Straßenverkehr geht zurück zum Ende der 1960er Jahre. Gerade einmal 105km/h war die Höchstgeschwindigkeit des GM Electovan, der am 28. Oktober 1966 im GM Technik-Center vorgestellt wurde. Der Van, der auf sechs Mitfahrer ausgelegt war, fasst aufgrund der großen Brennstoffzelle nur zwei Fahrgäste. Für den Antrieb sorgte eine LiCl-Brennstoffzelle der Union Carbide, die mit 5 kw Leistung für eine Reichweite von 200km sorgte. Das Problem an diesem allerersten Prototypen war zum einen die Sicherheit, zum anderen die geringe Lebensdauer der Brennstoffzelleneinheit von gerade einmal 1000 Stunden. Zur gleichen Zeit arbeitete bei Union Carbide der Chemiker und Physiker Dr. Karl Kordesch, der nicht nur die Brennstoffzelle für den Van von GM entwickelt hatte, sondern auch eigene Fahrzeuge entwarf. Von Kordesch stammt ein Motorrad, dass bei einer Höchstgeschwindigkeit von 40km/h eine Reichweite von ca. 320km hatte. Für seinen Eigenbedarf nutze der Entwickler drei Jahre lang einen umgebauten Austin A40, der mit einem AFC/Batterie Hybrid-Antrieb ausgestattet war. Die Brennstoffzelle war im Kofferraum installiert, die vier Tanks auf dem Fahrzeugdach. Jeremy Krämer, Norbert Salletmaier, Gerald Gugler 8

9 Clean Energy BMW begann Ende der 1970er Jahre mit der Entwicklung von Wasserstoff- Fahrzeugen: ein Flüssigwasserstoff-betriebender BMW 520h, gefolgt von einem Prototypen aus der 7er-Reihe wenige Jahre später. Unser Bild zeigt die ersten vier Prototypen von BMW aus den Jahren 1978, 1984, 1990 und Informationen zum aktuellen BMW-Modell und dem CleanEnergy-Projekt gibt es auf den folgenden Seiten. Jeremy Krämer, Norbert Salletmaier, Gerald Gugler 9

10 Special thanks to: Made by: Krämer, Gugler, Salletmair Jeremy Krämer, Norbert Salletmaier, Gerald Gugler 10