Brennstoffzellen. Schüler: Julia Schürkamp Fach: Technik Thema: Brennstoffzellen Lehrer: Herr Menne

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1 Brennstoffzellen Schüler: Julia Schürkamp Fach: Technik Thema: Brennstoffzellen Lehrer: Herr Menne

2 Inhaltsangabe Was ist sind Brennstoffzellen? 1 Wie funktionieren Brennstoffzellen? 2-3 Anwendung der verschiedenen Brennstoffzellenarten 3 Vorteile und Nachteile 3 Geschichte der Brennstoffzellen 4 Zukunftspläne? 4-5 Glossar 5 Quellen 6

3 Was sind Brennstoffzellen? Brennstoffzellen sind eine spezielle Art von Galvanischen Zellen. Als galvanische Zelle beschreibt man ein Element welches als elektrische Stromquelle fungiert. Sie funktionieren so, dass Stoffe das Bedürfnis Elektronen abzugeben. Wie stark dieses Bedürfnis ausgeprägt ist hängt vom Stoff ab. Desto unedler ein Stoff ist, desto eher möchte er Elektronen abgeben. Der Unterschied zwischen Brennstoffzellen und galvanischen Zellen ist, dass Brennstoffzellen unendlich reagieren können wenn man ihnen kontinuierlich genug Stoff gibt. Anders als bei den galvanischen Zellen, dort wird ein Stoff aufgebraucht während der andere Stoff immer stärker wird. Man kann sich das so vorstellen, dass diese Zellen in zwei Halbzellen eingeteilt sind. In der einen Halbzelle sitzt eine Anode und in der anderen Halbzelle eine Kathode. Die Halbzellen sind mit Elektrolyten voneinander getrennt. Bildquelle: 1

4 Wie funktionieren Brennstoffzellen? Wie schon beschrieben bestehen Brennstoffzellen aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), Elektrolyten und Brennstoffen. Es gibt verschiedene Brennstoffzellarten die sich nur durch die Elektrolyten und Brennstoffe unterscheiden. Zum Teil verläuft dieser Prozess etwas abgeändert ab. Allgemein ist der Vorgang dennoch derselbe. Die Elektronen werden über den äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode geleitet, dort kann der Strom abgegriffen werden. Anders als die Elektronen werden die Protonen einfach durch die Elektrolyten durchgeschleust. An der Kathode verbinden und reagieren nun alle sich dort findenden Komponenten und ergeben Wasser als Rest. Genauer erklären lässt sich das an konkreten Beispielen. Bei der PEM- Brennstoffzelle (PEM = Polymer Electrolyte Membran) sind die Elektroden aus Kohlenstoffmatten die mit Platin bedampft und miteinander verknüpft sind. Das Platin fungiert als Katalysator um den beigefügten Wasserstoff an der Anode in positive (Protonen) und negative Ionen (Elektronen) zu trennen. Die Protonen werden durch die Elektrolyten geleitet und die Elektronen werden im äußeren Stromkreis zu der Kathode geführt. Der Kathode wird kontinuierlich Sauerstoff zugefügt. Dort verbindet sich auch ein Sauerstoffatom mit zwei Elektronen. Die zwei Elektronen reagieren mit zwei Protonen. Übrig bleibt Wasser als sogenannter Abfall. Die alkalische Brennstoffzelle (AFC) (AFC = Alkaline Fuel Cell) wird eine mit Wasser verdünnte Kalilauge als Elektrolyt verwendet. Anders als bei der PEM-Brennstoffzelle wird der Kathode Sauerstoff und Wasserdampf zugeführt. Pro Sauerstoffatom verbinden sich zwei Elektronen die mit dem Wasserdampf zu Hydroxid-Ionen reagieren. Diese Ionen diffundieren durch die Kalilauge zur Anode. Dort reagieren die Ionen mit dem Wasserstoff zu Wasser. Bei diesem Vorgang gibt ein Hydroxid-Ion ein Elektron ab welches über den äußeren Stromkreis zur Kathode gelangt. Eine andere Art ist die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC = Phosphoric Acid Fuel Cell). Ähnlich wie bei der Alkalischen Brennstoffzelle wird hier als Elektrolyt Phosphorsäure mit Wasser verdünnt. Hier bestehen die Elektroden aus Graphit- oder Asbestplatten die auch mit Platin bedampft wird. Und auch hier fungiert das Platin als Katalysator. Die zweite Teilreaktion ist dieselbe wie bei der PEM- Brennstoffzelle. Eine etwas andere Brennstoffzelle ist die Schmelzkarbonat- Brennstoffzelle (MCFC = Molten Carbonat Fuel Cell). Bei dieser Brennstoffzelle besteht das Elektrolyt aus eine Schmelze aus Kaliumkarbonat und Lithiumkarbonat die bei ca. 640 im flüssigen Zustand gut leitet. Man bildet die Karbonat- Ionen aus künstlich zugefügtem Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und vier Elektronen. Sie werden an der Kathode gebildet und diffundieren deshalb zur Anode wo sie dort ein überflüssiges Ion abgeben. Das hat auch zur Folge, dass dieses Karbonat- Ion wieder in Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff zerfällt. Das Sauerstoffatom reagiert nun mit dem Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid. Daraus entsteht Kohlenstoffdioxid welches vom Wasserdampf getrennt wird und zur Kathode geleitet wird. 2

5 Wie funktionieren Brennstoffzellen? Es gibt aber auch Brennstoffzellen die als Elektrolyt eine feste Keramikschicht einsetzten. Solche nennt man oxidkeramische Brennstoffzellen (SOFC = Solid Oxide Fuel Cell). Um eine hohe Leitfähigkeit für Sauerstoff- Ionen zu erhalten muss diese Schicht aus Zirkonoxid mit hoher Temperatur erhitzt werde. Die Kathode besteht aus einem Mischoxid und die Anode aus einer Nickel- Zinkoxid Mischung. An der Kathode wird ein Sauerstoffatom zweifach negativ ionisiert welches dann durch das Elektrolyt zur Anode wandert. Dort geben sie Elektronen ab und reagieren mit Wasserstoff zu Wasser. Die letzteren Arten sind Hochtemperatur- Brennstoffzellen während die anderen Niedertemperatur- Brennstoffzellen sind. Verwendung der verschiedenen Brennstoffzellenarten Angefangen mit der PEM-Brennstoffzelle lässt sich sagen, dass diese eine mögliche theoretische Spannung von 1,23V halt. In der Praxis werden aber nur 0,6V 0,9V erreicht wegen des elektrischen Widerstandes des elektrischen Leiters, und Überspannung durch Reaktionshemmungen. Für technisch nutzbare Spannungen kann man die Brennstoffzellen in Reihe schalten und die Einzelzellen zu Stacks (Zellstapeln) aufstapeln. Zur Zeit forschen einige Automarken darin sie verkehrstauglich zu machen als Motoren für ihre Autos. Sie können aber auch für die Verbraucher nahe Stromversorgung von Einfamilienhäusern eingesetzt werden. Die alkalische Brennstoffzelle wird zur Zeit im Militär eingesetzt. In Japan und den USA wird die phosphorsaure Brennstoffzelle weiterentwickelt und wird in Blockheizkraftwerken verwendet wegen ihrer hohen Leistung von 11MW. Auch die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle wird wegen ihrer Leistung von 11MW in Blockheizkraftwerken eingesetzt. Ebenso wird die oxidkeramische Brennstoffzelle in Blockheizkraftwerken eingesetzt. Vorteile und Nachteile Vorteile: - Elektrischer Strom ohne mechanische Teile erzeugbar - Kein Lärm - Kein Rauch - Keine Verschleißteile - Keine Abgase - Wasser als Rest - Treibstoff wird gewonnen aus erneuerbaren Energien. - Hoher Stromwirkungsgrad - Umweltfreundlich - vor Ort Nachteile: - Teuer - In bestimmten Bereichen noch nicht genug entwickelt 3

6 Geschichte der Brennstoffzellen Erfunden wurde die Brennstoffzelle als der Jurist und Physiker Sir William Robert Grove ( ) im Jahr 1839 feststellte, dass man den Prozess von der Elektrolyse und Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff umkehren kann. Grove stellte seine erste galvanische Gasbatterie vor, die Strom durch kalter Verbrennung von Wasser- und Sauerstoff erzeugen konnte. Diese bestand aus zwei Platinelektroden die man in Schwefelsäure tauchte und mit Wasser- und Sauerstoff gespült wurde. Leider konnte sich diese Brennstoffzelle nicht durchsetzten da sie eine geringe Spannung und Stromfluss hat. Nachdem man die Weiterentwicklung der Brennstoffzelle aufgegeben hat, erkannte Wilhelm Ostwald ca. 50 Jahre später das Potenzial der Brennstoffzelle. Seine Theorie war ein galvanisches Element welches aus Kohle und Sauerstoff elektrische Energie erzeugt. Er konnte mit seiner Theorie überzeugen denn der schwache Wirkungsgrad der Brennstoffzelle stieg auf 83%. Dennoch gab es Probleme da die Wissenschaft noch nicht so weit war um die Brennstoffzellen vollständig zu erklären und es unlösbare Werkstoffprobleme gab. Auch gab es finanzielle Problem weil die Entwicklung der Brennstoffzellen ziemlich teuer waren. Somit kamen sie zu Einsatz in U-Booten in den 1950ern und in Raumfahrtprogrammen in den 1960ern. Dies geschah aber auch nur weil es in diesen Bereich egal war wie teuer sie sind. Die PEM-Brennstoffzelle war die erste Zelle die eine Protonen leitende Membran besaß, die in den 1960ern für Raumfahrt und in der Militärtechnik eingesetzt wurde. Zukunftspläne? Brennstoffzellen können in verschiedensten Bereichen eingesetzt werden, doch wie sieht die Zukunft aus? Brennstoffzellen könnten eine Konkurrenz für fossile Energie sein, scheitert aber an dem hohen Preis. Im Fall der Autoindustrie kann es vom Staat Zuschüsse geben um den Brennstoffzellen betriebenen Autos eine Chance zu geben. Schon seit den 1990ern versuchen größere Automarken wie Daimler Benz, Toyota und weitere Autos zu entwickeln die mit Brennstoffzellen betrieben werden. Man kann Autos in ca. 3-5 Minuten auftanken, sie können mit einmal volltanken ~500km weit fahren, sind umweltfreundlich und ihr benötigter Wasserstoff ist regenerativ. Klingt vielversprechend doch leider gibt es immer noch Probleme mit der Umsetzung da Platin vorausgesetzt wird welches eins der teuersten Edelmetalle der Welt ist. So soll z.b. der Toyota Mirai,der voraussichtlich im September 2015 in Deutschland auf den Markt kommen soll, ca kosten. Dieser Betrag ist für eine durchschnittliche Person kaum bezahlbar. Auch wenn man sich ein solches Auto kaufen würde könnte man in nur 14 Tankstellen in ganz Deutschland tanken. Es sollen in 2015 bis zu 50 Tankstellen gebaut sein aber das ist trotzdem ein viel zu dünnes Netz. 4

7 Zukunftspläne? Aber nicht nur in der Autoindustrie geht es heiß her. In manchen Städten bzw. Stadtteilen werden Brennstoffzellkraftwerke verwendet. Zum Beispiel das HotModul aus Magdeburg was eine Karbonatschmelz-Brennstoffzelle darstellt. Sie produziert nicht nur 250kW elektrische Leistung sondern auch 180kW thermische Leistung welches die Bewohner vor Ort mit Strom und Wärme versorgt. MFCF in Hafen City, Hamburg, DE Weil die Systemkosten der Karbonat-Brennstoffzelle teuer sind, steigt man auf PEM- Anlagen um. In Texas erzeugen seit Brennstoffzellenanlagen kontinuierlich 35MW Strom. Mit diesen Erfolgsergebnissen könnte man drauf hoffen, dass es bald mehr dieser Brennstoffzellenanlagen gibt. Selbst als Besitzer eines Hauses kann man kleine private Brennstoffzellenanlagen nutzten. Da die Technik aber noch nicht so ausgereift ist, hat man seit 2008 einen Callux- Praxistest eingeführt um zu überprüfen wie die Anlage arbeitet. Vom Stand 2014 schien alles überzeugend zu sein. Mit den richtigen Vorlagen und Förderungen vom Staat könnten bald viele Haushalte diese kleinen Kraftwerke im Keller stehen haben. Jeder würde seinen eigenen Strom erzeugen können. Würden sich Brennstoffzellen wirklich durchsetzten dann wäre es ein wichtiger Schritt in Richtung erneuerbarer Energie sein. Wichtig wäre dieser Schritt unter den Aspekten, dass fossile Brennstoffe begrenzt existieren und diese auch die Umwelt mehr schaden als Brennstoffzellen es tun würden. Um wirklich auf Brennstoffzellen umzusteigen wird es wohl noch etwas dauern aber es gibt gute Ansätze. Glossar - Reduktion bestimmt wie schnell ein Element reagiert. es steht unproportional zum Edelgrad eines Elementes. - Elektrolyten ist eine chemische Verbindung die nur Protonen passieren lässt. - Anode ist eine positiv geladene Elektrode (Elektronenmangel) - Kathode ist eine negativ geladene Elektrode (Elektronenüberschuss) - Katalysator beschleunigt die Aktivierung einer chemischen Reaktion. (senkt die Aktivierungsenergie eines Elements. - Hydroxid-Ionen das negativ geladene Ion des Sauerstoffs der mit dem Wasserstoff gebunden ist. - Diffundieren verstreuen, ausbreiten, ausgießen. - Ionisiert Anlagerung von Elektronen = wird negativ geladen - kalte Verbrennung Katalysator regulieren Wasserstofftemperatur auf Zimmertemperatur runter, Wasser- und Sauerstoff reagieren. Anstelle von Wärme entsteht elektrischer Strom. 5

8 Quellen Toyota Mirai Foto: Foto zur MFCF in Hamburg: Shell Hydrogen: 6