Die Brennstoffzelle als neue energetische Möglichkeit Auswege statt Apokalypse

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1 3 Die Brennstoffzelle als neue energetische Möglichkeit Auswege statt Apokalypse Name: Michael Müller Franz- Meyers- Gymnasium Kurs: 12 PaLk Hoffmann Schuljahr: 2000/2001 Fachlehrer: Herr Dr. Loosen

2 4 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Grundlagen der Brennstoffzelle Definition: Brennstoffzelle Geschichtlicher Rückblick 4 Seite 3. Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle am Beispiel der PEM (Polymer- Elektrolyt- Membran)- Technik Reaktionsgase Wasserstoff Sauerstoff Allgemeine Funktionsweise der Brennstoffzelle Experiment: Aufnehmen der Strom- Spannungs- Kennlinie der PEM- Brennstoffzelle Funktionsprinzip eines PEM (Polymer- Elektrolyt- Membran)- Eletrolyseur Reformierung der Brennstoffe Brennstoffzellen- Typen und ihr Anwendungsbereich Tabellarische Übersicht der Brennstoffzellen Die alkalische- Brennstoffzelle (AFC) Die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC) Die Schmelzcarbonat- Brennstoffzelle (MCFC) Die oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC) Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle Zusammenfassung 16 Literaturverzeichnis 17 3

3 5 1. Einleitung Die Brennstoffzelle wurde bereits vor mehr als 150 Jahren von Sir William Grove entwickelt, jedoch geriet die damals noch nicht ausgereifte Technik durch die Erfindung des Dreh- Strommotors von Werner von Siemens (1866) in Vergessenheit. Mit dem Beginn der Industrialisierung im 18. Jahrhundert gewann der Kohleabbau zunehmend an Bedeutung. Ganze Regionen waren auf die Gewinnung dieses fossilen Energieträgers ausgerichtet, deren Auswirkungen noch heute (z. B. das Ruhrgebiet) spürbar sind. Die Verwendung des preiswerteren Erdöls und Erdgases hatte die zunehmende Subventionierung der Kohle zur Folge. Der Aufstieg der westlichen Staaten zu Industrienationen und der gestiegene Lebensstandard führten zu einem extrem hohen Verbrauch der natürlichen Energieressourcen. Dieses Problem versuchte man durch die Kernenergie zu beheben. Die Gefahren, die von den Atomkraftwerken selbst ausgehen, sowie die Problematik der Endlagerung abgebrannter Brennelemente zeigen zunehmend die Dringlichkeit einer innovativen Energiegewinnung. So führten die Diskussionen um die Beeinflussung des Weltklimas durch Kohlenstoffdioxid und die Bemühungen um eine Energieversorgung, die unabhängig von fossilen Ressourcen ist, zu einer Wiedergeburt der Brennstoffzelle. In dieser Facharbeit wird am Beispiel der Polymer Electrolyte Membran- (PEM) Brennstoffzelle der Aufbau und die Funktion der neuen Generation der Brennstoffzellen vorgestellt. Ebenso werden vergleichend weitere Brennstoffzellentypen aufgeführt und ihre unterschiedlichen Anwendungsgebiete dargelegt. Besonders die Vorteile in Hinsicht auf die Umwelt und Effektivität sowie die Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern verdeutlichen den hohen Stellenwert der Brennstoffzelle für die zukünftige Energieversorgung.

4 6 2. Grundlagen der Brennstoffzelle 2.1. Definition: Brennstoffzelle Das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle basiert auf der Umkehrung der Elektrolyse von Wasser; dabei wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten. Da bei einer Brennstoffzelle die chemische Energie der Ausgangsstoffe direkt in elektrischen Strom umgewandelt wird, unterliegt sie nicht dem Carnot- Gesetz und hat somit einen höheren elektrischen Wirkungsgrad als Wärme- Kraft- Maschinen. Anders als bei einer galvanischen Zelle kann sich eine Brennstoffzelle nicht entladen und kann auch nicht wieder aufgeladen werden. Sie arbeitet kontinuierlich, solange von außen Brennstoff und Oxidationsmittel zugeführt werden. (vgl. Mortimer, 1973, S. 373) 2.2. Geschichtlicher Rückblick Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle ist schon seit 1839 bekannt. Der britische Physiker und Jurist Sir Wiliam Robert Grove (Abb.1) beschrieb eine galvanische Gasbatterie, welche mittels kalter Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff elektrischen Strom lieferte. Seine Technologie geriet jedoch auf Grund technischer Probleme, vor allem der mangelnden Stabilität der verwendeten Werkstoffe, in Vergessenheit. Die Entwicklung des Drehmotors durch Werner von Siemens (1866) war ein weiterer Faktor, der die Brennstoffzelle uninteressant machte. Erst 56 Jahre später beschrieb der deutsche Chemiker und Abb.2: Gemini- Brennstoffzelle Quelle: Abb.1: Sir Wiliam Robert Grove ( ) Quelle:IDE Philosoph Wilhelm Ostwald die zugrundeliegende Thermodynamik der Brennstoffzelle wurde für das zweite bemannte NASA Raumfahrtprogramm eine Niedertemperaturbrennstoffzelle hergestellt, die Gemini- Brennstoffzelle (Abb.2). Diese Brennstoffzelle lieferte einerseits den Betriebsstrom für die Raumkapsel andererseits wurde aus dem entstehenden Wasser Trinkwasser für die Astronauten gewonnen. Bei diesem Projekt spielten die enormen Kosten der Geräte und die extremen Reinheitsanforderungen der Reaktionsgase keine Rolle. Später nutzte auch das Militär Brennstoffzellen, unter anderem für den lautlosen und emissionsfreien Antrieb von Elektromotoren in U- Booten. Auf der Suche nach neuen nicht

5 7 fossilen Energiequellen und mit dem gestiegenen Umweltbewusstsein wurde gegen Ende des 20. Jahrhunderts erstmals ein breitgefächertes Interesse an der Brennstoffzelle geweckt. (vgl. 3. Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle am Beispiel der Polymere Electrolyte Membran- Brennstoffzelle (PEM- Brennstoffzelle) Das Prinzip einer Brennstoffzelle beruht auf der chemischen Reaktion eines Brennstoffes mit einem Oxidant. Bei einer PEM- Brennstoffzelle werden Wasserstoff und Sauerstoff als Reaktionsgase verwendet Wasserstoff Der in der Natur vorkommende Wasserstoff besteht wie fast alle gasförmigen Elemente aus zweiatomigen Molekülen, er ist farb- und geruchlos. Er ist das häufigste Element im Kosmos. Über 90% aller Atome im All liegen als Wasserstoffmoleküle vor und er stellt ¾ der gesamten Masse der Atome dar. Seinen lateinischen Namen Hydrogenium ( Wasserbildner ) hat das Element von seinem Vermögen zusammen mit Sauerstoff Wasser zu bilden, wobei Energie frei wird. Entdeckt wurde der Wasserstoff 1766 von dem englischen Chemiker Henry Cavendish ( ). Gespeichert wird das Gas in Form von Flüssigwasserstoff oder in Metallhydridspeichern. Durch diese Speicherungsmöglichkeiten sind problemlose Transporte und Lagerungen gewährleistet. Die Herstellung von Wasserstoff erfolgt durch Reformierung von fossilen Energieträgern wie Erdgas oder Methanol, durch die Elektrolyse von Wasser oder aber durch Bakterien und Algen, die mit Hilfe des Sonnenlichtes und Abfällen aus der Zuckerrübenverwertung Wasserstoff produzieren. (vgl. Mortimer, 1973, S.378ff) Sauerstoff Sauerstoff kommt genau wie Wasserstoff als zweiatomiges Molekül in der Natur vor. Er ist ein farb- und geruchloses Gas und er ist das häufigste Element der Erde. Der schwedische Chemiker Carl Wilhelm Scheele ( ) entdeckte den Sauerstoff 1771/72 und bezeichnete ihn als Feuerluft. Erst später konnte der französische Chemiker Antoine Laurent Lavoisier ( ) in seinen Verbrennungsversuchen beweisen, dass es sich bei diesem neuen Stoff um ein Element handelt.

6 8 Sauerstoff kommt in großen Mengen in der Luft (ca. 21%) und im Wasser (ca. 80%) vor. Sauerstoff lässt sich durch die Elektrolyse von Wasser herstellen und entsteht bei der Photosynthese der Pflanzen. Die Lagerung und der Transport erfolgt in Form von Flüssigsauerstoff in Stahlbehältern. (vgl. Mortimer, 1973, S.406ff) 3.2. Funktionsweise einer Brennstoffzelle In einer Brennstoffzelle läuft die Knallgasreaktion kontrolliert ab, es kommt also zu einer stillen Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff, wobei elektrischer Strom entsteht. (Quelle: Eine PEM- Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, die durch eine Protonen leitende Membran (Polymer Electrolyte Membran oder Protone Exchange Membran) voneinander getrennt sind. Die Elektroden bestehen aus Kohlenstoffmatten, die mit Platin bedampft und über einen äußeren Stromkreis miteinander verbunden sind. Damit eine Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser erfolgen kann, muss die protonenleitende Membran befeuchtet werden. Der Anode wird kontinuierlich der Brennstoff Wasserstoff zugeführt. Die Kathode wird ständig mit Sauerstoff versorgt. Die Umsetzung von Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser verläuft in zwei Teilreaktionen. An der Anode werden die Wasserstoffmoleküle mit Hilfe des Platins, dass als Katalysator dient, in zwei Wasserstoffatome aufgespaltet, welche sofort ihre Elektronen an die Elektrode abgeben. Diese Elektronen werden dann über den äußeren Stromkreis zur Kathode geleitet.

7 9 Die dabei entstehenden positiv geladene Wasserstoff- Ionen (Protonen) diffundieren durch die Protonen leitende Membran zur Kathode. Anode: H 2 2H + + 2e - An der Kathode nimmt jeweils ein Sauerstoffatom zwei Elektronen auf und reagiert dann mit zwei positiv geladenen Wasserstoff- Ionen (Protonen) zu einem Wasserstoffmolekül. Kathode: ½O 2 + 2e - O H + H 2 O Gesamtreaktion: 2H 2 + O 2 2H 2 O H = -241kJ/mol Die theoretisch mögliche Spannung einer solchen PEM- Brennstoffzelle liegt bei 1,23V. Diese Spannung wird jedoch in der Praxis nicht erreicht, da es beim Betrieb zu Verlusten aufgrund des Widerstandes des elektrischen Leiters, ungenügender Diffusion und der Überspannung durch Reaktionshemmungen kommt. In der Regel wird eine reale Spannung von etwa 0,6V bis 0,9V erreicht. Um technisch nutzbare Spannungen zu erreichen müssen einzelne Brennstoffzellen in Reihe geschaltet werden. Aus Einzelzellen werden Zellstapel die sogenannten Stacks, in denen die Zellen sandwichartig aufeinander liegen. Die Stromstärke ist proportional zur Elektrodenfläche und kann durch Vergrößerung beziehungsweise Verkleinerung der Elektrodenfläche reguliert werden. Die PEM- Brennstoffzelle wurde in den 60er- Jahren ebenfalls für die Raumfahrt und die Millitärtechnik entwickelt. Zum erstenmal wurde eine Brennstoffzelle mit protonenleitender Membran von General Motors im Gemini Raumfahrtprogramm eingesetzt. Damals diente eine sulfonierte Polystrol- Membran als Elektrolyt. Seit 1969 wird die von DuPont entwickelte Nafion - Membran in die PEM- Brennstoffzellen eingebaut. Die PEM- Brennstoffzelle eignet sich vor allem für den mobilen Einsatz, sowie für die dezentrale Stromversorgung von Einfamilienhäusern. Derzeit werden weltweit intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeiten für einen Einsatz der PEM- Brennstoffzelle im Verkehrsbereich getätigt. Die Autoindustrie setzt große Hoffnung in die Entwicklung der PEM- Brennstoffzelle für den mobilen Einsatz, weltweit laufen eine Vielzahl von Projekten tätiger Unternehmen, wie beispielsweise Mazda, Toyota, Honda, PEM- Brennstoffzelle im NECAR 3 Quelle: IDE Ford, Mercedes- Benz, BMW, Volkswagen und Siemens. (vgl. VDI Berichte, 1998, S.2ff)

8 Experiment: Aufnehmen der Strom- Spannungs- Kennlinie der PEM- Brennstoffzelle I. Durchführung: Vor dem Betrieb muss die Polymer- Membran befeuchtet werden. Danach sollte die PEM- Brennstoffzelle einige Zeit laufen, um ihr vollständiges Potential zu erreichen. Nach etwa fünf Minuten wird die Brennstoffzelle wie in Abbildung 1 gezeigt an ein Potentiometer und an die Strom- Spannungsmessgeräte angeschlossen. Nun kann die Strom- Spannungs- Kennlinie aufgenommen werden. II. Aufbau der Apparatur: I Brennstoffzelle U Potentiometer III. Ergebnis IV. Auswertung Das Strom- Spannungs- Diagramm stellt den Zusammenhang zwischen Stromstärke [I] und der Spannung [U] in Abhängigkeit des Widerstands grafisch dar. Da das Ohmsche Gesetz gilt,

9 11 ergibt sich ein linearer Abfall der Spannung bei zunehmenden Stromstärke und abnehmenden Widerstand. Nach dem Ohmschen Gesetz ist die Stromstärke [I] proportional zur Spannung [U]. Somit ergibt sich nach der Definition des Widerstandes der Zusammenhang: R= U I Daraus ergibt sich, dass der Widerstand [R] bei konstanter Temperatur unabhängig von der Spannung [U] ist Funktionsprinzip eines PEM (Proton- Exchange Membran)- Elektrolyseurs Kathode 4e - 4e - Anode 2 H 2 O 2 4 H + 2 H 2 O Kathodenreaktion: 4 H + + 4e - 2H 2 Anodenreaktion: 2 H 2 O 4e - + 4H + + O 2 Protonen- Austausch- Membran (Proton Exchange Membrane = PEM) In einem PEM Elektrolyseur wird Wasser in Sauerstoff- und Wasserstoff- Moleküle aufgespalten. Er besteht aus einer dünnen protonenleitenden Membran. Links und rechts von dieser Membran liegen Elektroden, die über einen äußeren Stromkreis miteinander verbunden sind. Um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegen zu können, muss Energie aufgewendet werden. Somit müssen die Elektroden mit einem Stromquelle verbunden sein. Die Aufspaltung von Wasser verläuft in zwei Teilreaktionen.

10 12 An der Anode wird Wasser zugeführt, dass dort in O 2- und H + - Teilchen aufgespalten wird. Das Sauerstoff- Ion gibt seine überschüssigen Elektronen an die Anode ab. Danach verbinden sich immer zwei Sauerstoffatome zu einem Sauerstoff- Molekül. Die Wasserstoffionen (Protonen) diffundieren durch die protonenleitende Membran zur Kathode. Anode: 2H 2 O 4e - + H + + O 2 An der Kathode erhalten die Wasserstoff- Ionen je ein Elektron und es entsteht Wasserstoff. (vgl. VDI Berichte, 1998, S.24) Kathode: 4H + + 4e - 2H 2 Gesamtreaktion: 2H 2 O 2H 2 + O Reformierung der Brennstoffe Der für die PEM- Brennstoffzelle benötigte Wasserstoff kann aus Erdgas gewonnen werden. Die Reformation des Erdgases kann auf zwei Weisen erfolgen. Einerseits ist es möglich den Kohlenwasserstoff (C n H m ) in Anwesenheit eines Katalysators, durch eine exotherme Reaktion mit (Luft-) Sauerstoff reformieren. Dabei reagiert ein Methan- Molekül mit einem Sauerstoffmolekül und es entsteht dabei ein Kohlenstoffdioxid- Molekül, zwei Wasserstoff- Moleküle und Energie (Wärme). CH 4 + O 2 CO 2 + 2H 2 H= -319 kj/mol Andererseits kann die Erdgasreformation, in Anwesenheit eines Katalysators, auch durch eine endotherme Reaktion mit Wasserdampf erfolgen. Dabei reagiert jeweils ein Methan- Molekül mit zwei Wasser- Molekülen zu einem Kohlenstoffdioxid- Molekül und vier Wasserstoffmoleküle. Bei dieser Reformationsmethode wird mehr Wasserstoff produziert und weniger Kohlenstoffdioxid gebildet, sie ist also somit umweltfreundlicher und der Reformer- Wirkungsgrad ist bei einer Dampfreformation größer. Jedoch muss bei dieser Reaktion Energie zugeführt werden und somit verringert sich der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle um den Anteil, der für die Beheizung des Reformators benötigt wird. CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 H = +207 kj/mol

11 13 Bei diesem Reformationsverfahren wird das giftige Gas Kohlenstoffmonoxid gebildet, das den Platin- Katalysator der Brennstoffzelle zerstören würde. Durch eine weitere Reaktion mit Wasser- Molekülen kann der Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff oxidiert werden. CO + H 2 O CO 2 + H 2 H = -41kJ/mol Die Gasgemische aus Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff, die in den obengenannten Verfahren entstehen, können direkt der Brennstoffzelle zugeführt werden. (vgl Brennstoffzellen- Typen und ihr Anwendungsbereich Der prinzipielle Aufbau der Brennstoffzelle ist bei allen Brennstoffzellentypen gleich, sie unterscheiden sich lediglich durch die verschiedenen verwendeten Elektrolyte. Durch die unterschiedlichen Elektrolyte besitzen die verschiedenen Brennstoffzellentypen auch unterschiedliche Betriebstemperaturen und damit auch verschiedene Einsatzgebiete. Somit kann man die Brennstoffzellentypen in zwei Gruppen einordnen. Man unterscheidet zwischen Niedertemperatur- und Hochtemperatur- Brennstoffzellen Tabellarische Übersicht der Brennstoffzellen Brennstoffzellentyp Elektrolyt Niedertemperatur- Brennstoffzelle Ladungsträger Betriebstemperatur Alkalische- BZ Kalilauge OH - <100 C (AFC) Polymermembran- Polymermembran H + <100 C BZ (PEMFC) Phosphorsaure- BZ Phosphorsäure H C (PAFC) Hochtemperatur- Brennstoffzelle Karbonatschmelzen- Karbonatschmelze 2- CO 3 ca. 650 C BZ (MCFC) Oxidkeramische- BZ (SOFC) Keramische Schichten - O C (FC: Abkürzung für Fuel Cell = Brennstoffzelle)

12 Die alkalische Brennstoffzelle (AFC) Die alkalische Brennstoffzelle wurde in den 60er Jahren für die Raumfahrt entwickelt und besitzt heute einen hohen Entwicklungsstand. In der Fachsprache wird dieser Brennstoffzellentyp als Alkaline Fuel Cell (AFC) bezeichnet. Der Betrieb der Brennstoffzelle ist schon bei geringen Temperaturen möglich und sie besitzt einen hohen elektrischen Wirkungsgrad. Jedoch ist der Anwendungsbereich der alkalischen Brennstoffzelle sehr eingeschränkt, da für den Betrieb reiner Wasserstoff und Sauerstoff benötigt wird. Bei einer alkalischen Brennstoffzelle wird eine mit Wasser verdünnte Kalilauge als Elektrolyt eingesetzt. Die mobilen Ionen in alkalischen Brennstoffzelle sind Hydroxid- Ionen. Die Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser läuft in zwei Teilreaktionen ab. Der Kathode werden reiner Sauerstoff und Wasserdampf zugeführt. Dort nimmt je ein Sauerstoffatom zwei Elektronen auf und reagiert mit dem Wasserdampf zu zwei Hydroxid- Ionen (1/2 O 2 + 2e - +2H 2 O 2OH - ). Diese Ionen diffundieren durch die Kalilauge hindurch zur Anode. An der Anode reagieren dann die Hydroxid- Ionen zusammen mit dem Wasserstoff zu Wasser. Dabei wird vom Hydroxid- Ion ein Elektron abgegeben, das dann über den äußeren Stromkreis zur Kathode gelangt. Dieser Brennstoffzellentyp wird zur Zeit für militärische Zwecke und Spezialanwendungsgebiete weiterentwickelt. (vgl. Ledjeff, 1995, S.30f) 4.3. Die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC) Die 1842 von Sir William Grove vorgestellte Brennstoffzelle hatte einen sauren Elektrolyt. In der Fachsprache wird sie als Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)bezeichnet. Als Elektrolyt dient meistens eine mit Wasser verdünnte Phosphorsäure. Als Elektroden werden poröse Graphit- oder Asbestplatten verwendet, die mit einer dünnen Platinschicht bedampft sind. Das Platin dient als Katalysator und soll die Reaktion beschleunigen. Bei sauren Brennstoffzellen werden positive geladene Wasserstoff- Ionen (Protonen), von der Anode zur Kathode geleitet. An der Anode geben die Wasserstoffatome je ein Elektron ab, das über den äußeren Stromkreis zur Kathode geleitet wird (H 2 2H + + 2e - ). Die dabei entstehenden Protonen wandern durch den Elektrolyt zur Kathode. An der Kathode nimmt je ein Sauerstoffatom zwei Elektronen auf. Diese Sauerstoff- Ionen reagieren danach mit den Wasserstoff- Ionen zu Wassermolekülen. Das Reaktionsprodukt wird mit der Abluft abgeführt.

13 15 Dieser Brennstoffzellentyp wird zur Zeit vor allem in Japan und in den USA weiterentwickelt. Sie eignet sich für den Einsatz als Blockheizkraftwerke, da sie eine elektrische Leistung von bis zu 11MW. (vgl. Ledjeff, 1995, S.33ff) 4.4. Die Schmelzkarbonat- Brennstoffzelle (MCFC) Charakteristisch für die Schmelzkarbonat- Brennstoffzellen ist, dass der Luftsauerstoff durch doppelt negativ geladene Karbonat- Ionen (CO 2-3 ) von der Kathode zur Anode geleitet. Eine solche Brennstoffzelle wird von den Fachleuten Molten Carbonat Fuel Cell (MOFC) genannt. Als Elektrolyt wird eine Schmelze aus Kaliumkarbonat und Lithiumkarbonat verwendet. Dieses Karbonatgemisch schmilzt bei circa 640 C. Im flüssigen Zustand ist die Mischung gut leitend. Die Karbonat- Ionen (CO 2-3 ) werden an der Kathode aus dem künstlich zugeführten Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff aus der Luft sowie vier Elektronen gebildet(o 2 + 2CO 2 + 4e - 2CO 2-3 ). Die Karbonat- Ionen diffundieren durch den Elektrolyten hindurch zur Anode. Nachdem das Ion die überflüssigen Elektronen abgegeben hat, zerfällt das Karbonat- Ion wieder in Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff. Das Sauerstoffatom reagiert danach mit Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid. Das dabei entstehende Kohlenstoffdioxid wird vom Wasserdampf getrennt und zur Kathode geleitet (2H CO 2-3 2H 2 O + 2CO 2 + 4e - ). Aufgrund des hohen Wirkungsgrades und der enormen Leistung (bis zu 10MW) eignet sich dieser Brennstoffzellentyp vor allem für den Einsatz als Blockheizkraftwerk. (vgl. Ledjeff, 1995, S.36f) 4.5. Die oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC) Eine Brennstoffzelle, bei der eine feste keramische Schicht als Elektrolyt eingesetzt wird, nennt man Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). Als Elektrolyt wird eine Zirkonoxid- Schicht eingesetzt, die mit Yttriumoxid dotiert ist. Bei hohen Temperaturen besitzt diese keramische Schicht eine hohe Leitfähigkeit für Sauerstoff- Ionen. Die Kathode besteht aus einem Mischoxid und die Anode aus einer Mischung von Nickel- und Zinkoxid. An der Kathode wird ein Sauerstoffatom zweifach negativ ionisiert (1\2 O 2 + 2e - O 2- ). Diese Ionen wandern durch den Elektrolyt zur Anode, wo sie mit Wasserstoff unter Abgabe von Elektronen zu Wasser reagieren (H 2 + O 2- H 2 O + 2e - ). Auch dieser Brennstoffzellentyp eignet sich aufgrund seiner hohen Leistung für den Einsatz als Blockheizkraftwerk. (vgl. Ledjeff, 1995, S.37f)

14 16 5. Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle Die Brennstoffzelle ist ein hocheffizienter, elektrochemischer Stromerzeuger, der die chemische Energie der Reaktionsgase direkt in elektrische Energie umwandelt. Somit unterliegt eine Brennstoffzelle nicht dem Carnot- Faktor und besitzt einen hohen elektrischen Wirkungsgrad. Bei den heutigen Kohlekraftwerken wird die chemische Energie über Umwege in elektrische Energie umgewandelt. Zuerst wird der ursprüngliche Energieträger (z.b. Kohle, Öl) verbrannt. Die dabei entstehende Wärme wird für die Erzeugung von Wasserdampf gebraucht. Der Wasserdampf wird anschließend durch Turbinen geleitet, in denen letztendlich der elektrische Strom produziert wird. Bei jeder Energieumwandlung geht Energie verloren und somit besitzen Kohlekraftwerke nur einen elektrischen Wirkungsgrad von maximal 35% (siehe Grafik). Brennstoffzellen hingegen besitzen einen elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 65% (siehe Grafik). Quelle: Ein weiterer Vorteil der Brennstoffzellen- Technologie ist neben der elektrischen Energie auch noch die Wärmeproduktion, die mit Hilfe von Wärmetauschern genutzt werden kann. Somit besitzt die Brennstoffzellen einen noch höheren Wirkungsgrad. Die Brennstoffzelle ist außerdem eine attraktive Methode der elektrischen Energiegewinnung, da sie eine äußerst geringe Schadstoffemission (die Schadstoffemission ist vom Brennstoff abhängig). Brennstoffzellen, die mit Wasserstoff betrieben werden, haben gar keine Schadstoffemission und als Reaktionsprodukt entsteht lediglich Wasserdampf. Aber auch bei

15 17 Brennstoffzellen, die mit Methanol betrieben werden, entstehen nur wenige Schadstoffe, da die Brennstoffzelle die chemische Energie des Methanols effizienter nutzt als herkömmliche Systeme. Brennstoffzellen können jedoch auch mit herkömmlichen Energieträgern betrieben werden. Dafür müssen die Energieträger jedoch erst reformiert werden (siehe Kapitel 3.4). Da der Reformationsprozess jedoch sehr effizient ist entsteht, auch bei dieser Methode der Stromgewinnung ein Minimum an Schadstoffen. Ein weiterer Vorteil der Brennstoffzelle ist, dass sie keine rotierenden Teile in den Hauptaggregaten besitzen. Daraus resultiert eine niedrige Schallemission und ein minimaler Verschleiß der Hauptaggregate. Jedoch hat auch die Brennstoffzellentechnologie Nachteile. Ein Nachteil besteht darin, dass der Wirkungsgrad mit der Lebensdauer abnimmt. Dies ist damit zu erklären, dass der Elektrolyt und die Elektroden mit zunehmender Lebensdauer verunreinigt werden und die Umsetzung von chemischer Energie in elektrischen Strom nicht mehr so effektiv abläuft. Ein weiterer Nachteil ist der hohe Kostenfaktor. Die Brennstoffzellen- Technik ist momentan noch sehr teuer. So kostet eine Brennstoffzellen- Anlage, die ein Einfamilienhaus mit Strom und Wärme versorgt, noch weit über DM. Die hohen Investitionskosten sind damit zu erklären, dass zur Zeit erst wenige Firmen Brennstoffzellen vertreiben und aktiv Forschung betreiben. In nächster Zukunft jedoch wird sich dies ändern und damit sinken auch die Preise für diese Technologie. (vgl. Simander, 1999, S.57)

16 18 6. Zusammenfassung Die Brennstoffzelle stellt eine Schlüsseltechnologie für die zukünftige Energieversorgung dar. Durch die Entwicklung neuer Werkstoffe, sowie durch die Optimierung der Verfahrenstechnik verspricht die Brennstoffzelle in Zukunft eine tragende Rolle in der Weltenergieversorgung zu spielen. Die Brennstoffzellen- Technik bietet eine Lösungsmöglichkeit für die Weltklimabeeinflussung durch Kohlenstoffdioxid, sowie eine Alternative für die nur begrenzt zur Verfügung stehenden fossilen Energieträgern. Des weiteren kann durch den modularen Aufbau der Brennstoffzelle ein Leistungsbereich von wenigen Watt bis hin zu einigen Megawatt erreicht werden und somit gibt es eine Vielzahl von Anwendungsgebieten für die Brennstoffzelle. Vor allem die emissionsfreie Stromerzeugung und der hohe elektrische Wirkungsgrad macht die Brennstoffzelle sowohl für stationäre als auch für mobile Anwendungen attraktiv. So könnte der zum Betrieb einer Brennstoffzelle benötigte Wasserstoff bald viele der herkömmlichen Energieträger ablösen und die Energieversorgung der Zukunft gewährleisten. Gegnern der Brennstoffzelle die vor allem mit den hohen Kostenfaktor argumentieren muss entgegengehalten werden, dass die momentane Energiegewinnung mit fossilen Brennstoffen, in ihren Folgekosten durch die weltweite Klima- und Umweltzerstörung weit aus höher liegen und bei weiterer Verwendung bisher schon irreparable Schäden erhöhen würde.

17 19 Literaturverzeichnis [1] Dreifert, Martin: http// (Wirkungsgrad der Brennstoffzellen) [2] Informationszentrale d. Elektrizitätwirtschaft (IDE) e.v.: Strom Basiswissen. 1.Aufl. Frankfurt: Informationszentrale der Energiewirtschaft e.v [3] Konstantin Ledjeff, Konstantin: Brennstoffzellen. 1.Aufl. Heidelberg: C.F. Müller 1995 [4] Mortimer, Charles E.: Chemie. Das Basiswissen der Chemie. 6.Aufl., völlig neu bearb. Aufl. Stuttgart: Georg Thieme Verlag Stuttgart- New York 1973 [5] Simander Dr., Günter R.: Brennstoffzellen- Systeme Energietechnik der Zukunft?. 1.Aufl. Wien: Energieverwertungsargentur 1999 [6] Universität Bielefeld: http//uni-bielefeld.de/bz.htm [7] Universität Leiptig: http//techni.tachemie.uni-leipzig.de/bz/grundl.htm [8] Vaillant: http// (Reformation der Brennstoffe) [9] VDI- Gesellschaft Energietechnik: Energieversorgung mit Brennstoffzellenanlagen 98. 1Aufl. Essen: VDI 1998