Aufbau und Funktionsweise einer Brennstoffzelle

Wie eine Batterie oder ein Akku wandelt die Brennstoffzelle, bei einem elektrochemischen Prozeß, chemische Energie in elektrische um. Die wesentlichen Unterschiede zwischen einer Brennstoffzelle und beispielsweise einer Batterie sind:

  1. die chemischen Energieträger liegen bei der Brennstoffzelle im gasförmigen Zustand vor.

  2. die Brennstoffzelle kann weder entladen, noch aufgeladen werden.

Der Aufbau gleicht einem galvanischen Element. So besteht die Brennstoffzelle aus zwei Elektroden und einem Elektrolyten. Als Brennstoff dient zumeist Wasserstoff, als Oxidant Sauerstoff. Die Elektroden heißen Anode und Kathode. Der Anode wird Wasserstoff zugeführt, der Kathode Sauerstoff.

Die Funktionsweise ist leicht verständlich. Wasserstoff wird mit Sauerstoff oxidiert. Dabei wird elektrischer Strom freigesetzt und es entsteht Wasser. Genaugenommen werden bei der Oxidation Elektronen freigesetzt die über den äußeren Stromkreis zur Kathode geführt. Hier wird der Sauerstoff reduziert, er nimmt Elektronen auf. Schließt man in den äußeren Stromkreis einen Verbraucher, so kann er mit Hilfe des Stromes Arbeit verrichten.

Die allgemeine Elektrolyseformel (Wasserelektrolyse) lautet: 2H2O - 2H = O

Aufbau und Funktionsweise einer Hydro-Genius-Brennstoffzelle

Für schulische Experimente und private Zwecke braucht man eine Niedertemperaturbrennstoffzelle, da es möglich sein muß, sie bei Raumtemperatur zu betreiben. Die hydro-Genius-Brennstoffzelle erfüllt diese Bedingungen. Sie arbeitet bei 80-100°. Ein typisches Merkmal für diese Brennstoffzelle ist, daß eine Polymerfolie als Elektrolyt dient. Diese ist eine protonenleitende Schicht. Daher haben diese Arten von Brennstoffzellen den Namen PEMFC-Brennstoffzellen. PEMFC bedeutet: Proton-Exchange-Membrane-Fuel-Cell.

Oft arbeiten diese Brennstoffzellen mit Methanol als primären Brennstoff, da sich dieser Stoff einfach speichern läßt. Der Nachteil ist jedoch, daß man es erst in Wasserstoff umwandeln muß. Dafür benötigt man einen Reformer. Ein weiterer Nachteil ist, daß der Reformer Methanol mit Wasser zu 66% in Was-serstoff umsetzt. Die restlichen Stoffe sind unbrauchbar. Nun muß der Wasserstoff noch zusätzlich hauptsächlich von Kohlenmonoxid befreit werden, da der Stoff den Brennstoffzellen schädigt. Die hydro-Genius-Brennstoffzelle arbeitet ausschließlich mit Wasser- und Sauerstoff und spart somit vor allem Platz, aber auch Geld. Auf Grund der niedrigen Betriebstemperatur kann man diese Brennstoffzelle mobil nützen und sie als Antrieb für Kraftfahrzeuge benutzen.

Brennstoffzellen dieser Art werden mit Wasserstoff und Sauerstoff betrieben. An der Anode werden Wasserstoffmoleküle durch die Abgabe von Elektronen zu positiven Wasserstoffionen. Sie dringen durch den ionenleitenden Elektrolyten zur Kathode. Hier reagieren sie mit dem Sauerstoff und den aus dem elektrischen Leiter zugeführten Elektronen zu Wasser. Werden die beiden Elektroden mit einem elektrischen Motor verbunden, so fließen die Elektronen von der Anode zur Kathode.

Einsatzmöglichkeiten der Brennstoffzelle und Solar- Wasserstofftechnologie

Die für uns wichtige Energie wird heutzutage aus fossilen Energiequellen wie Kohle, Erdöl oder Erdgas gewonnen. Eines Tages werden diese Reserven erschöpft sein. Auch aus anderen Gründen müssen neue Konzepte entwickelt werden. Beim Verbrennen von Kohle und Erdöl entstehen Schadstoffe, die die Umwelt belasten. Saurer Regen zerstört Bauwerke und Wälder, Smog verschlechtert die Lebensbedingungen, der Kohlenstoffdioxid-Gehalt der Atmosphäre ist seit Anfang des Jahrhunderts deutlich gestiegen, was weitgehen-de Klimaveränderungen zur Folge haben könnte. Die Kernenergie bietet aus heutiger Sicht wegen den bekannten Risiken langfristig keine Lösung. Man hofft sich nun auf "regenerative Energieträger" verlassen zu können. Man wird versuchen die Sonne, den Wind und das Wasser zu nutzen. Solarzellen sollen die Wärme der Sonne in elektrische Energie umwandeln und Wasser- und Windkraftwerke sollen Beschleunigungs- oder Lageenergie in elektrische Energie umwandeln. Doch eine Alternative könnte die Brennstoffzelle sein. Aus Finanz- und Platzgründen ist die Ausbreitung der Brennstoffzelle nur mäßig. Die momentanen Brennstoffzellen sind zu groß und zu teuer. Sie können oft nur stationär genutzt werden. Doch die Entwicklung ist positiv.

  1. Eine PEMFC-Brennstoffzelle, die mit Methanol als Brennstoff arbeitet, ist heutzutage nicht praktisch. Das Methanol muß erst mit Wasser in Wasserstoff umgesetzt werden. Das erfordert Platz für einen Reformer. Dieser erzeugt jedoch neben Wasserstoff andere Produkte, wie Kohlendioxid, die teilweise schädlich sind. Zudem muß der Wasserstoff gereinigt werden, denn das bei der Umsetzung entstandene Kohlenmonoxid ist schädlich für die Zelle. So wird daraufhin gearbeitet, die Brennstoffzelle so zu modifizieren, daß das Kohlenmonoxid das Zellenmaterial nicht beeinträchtigt.

  2. Es wird ein ständig steigender Wirkungsgrad erzielt. Im Moment liegt dieser bei maximal 70-85 %. Damit wurde bereits ein Ersatz für Kraftwärmemaschinen wie Wärmeturbinen geschaffen, denn deren Wirkungsgrad ist weitaus niedriger.

Besonders in den USA und in Kanada arbeiten neben großen Energie- und Automobilkonzernen auch viele kleine Firmen an der Entwicklung der Brennstoffzelle, und die Kurse an der Börse steigen täglich.

Die Brennstoffzelle kann sich durch ihre Vielfalt und Flexibilität auf dem internationalen Markt beweisen. Es gibt verschiedenste Brennstoffzellen für verschiedenste Zwecke. Sie unterscheiden sich in der Wahl der Elektroden- oder Elektrolytenmatrealien. Es ergibt sich, daß sie unter verschieden hohen Temperaturen arbeitsbereit sind. Man konzentriert sich jedoch besonders auf zwei verschiedene Arten:

  1. Die Solid-Oxide-Fuel-Cell kann durch ihren hohen Wirkungsgrad überzeugen. Da sie bei einer Mindesttemperatur von etwa 1000° betriebsbereit ist, kann sie nur beschränkt eingesetzt werden. Effizient erweist sie sich für die thermische Kopplung mit kleinen Gasturbinen.

  2. Die beliebteste Brennstoffzelle ist die Proton-Exchange-Membrane-Fuel-Cell. Sie ist eine Niedertemperaturbrennstoffzelle und sehr preiswert. Sie kann sehr flexibel konstruiert werden. Dadurch kann man sie auch mobil nutzen. In der Raumfahrt konnte sie sich schon durchsetzen, da das entstehende Wasser ein willkommenes Abfallprodukt ist. In Zukunft wird sie auch in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Auch hier ist das Abfallprodukt willkommen. Es ist umweltfreundlich und der Prozeß der kalten Verbrennung ist geräuschlos.

Brennstoffzellen leben aus oberflächenorientierten im Gegensatz zur volumenorientierten Prozessen in Kraftwärmemaschinen. Die Folge ist, daß ihr Wirkungsgrad nicht von der Baugröße abhängt. Damit ist die Brennstoffzelle für kleine Anlagen von portablen Elektrogeräten bestens geeignet.

Durch diese Vorteile der Brennstoffzelle, wird ihr zukünftig weitgehender Einsatz begründet:

Es gibt viele Möglichkeiten, wie man die Brennstoffzelle mit anderen Energieträgern verbinden oder kombinieren könnte. Beispielsweise könnte man Solarzellen als Förderer der nötigen Energie, die zum Antrieb der Brennstoffzelle nötig ist, benutzen.

Eine intelligente Kombination wäre: Brennstoffzelle - Elektrolyseur - Solarzelle. Die Solarzelle wandelt Wärmeenergie in elektrische Energie um. Diese Energie wird zum Betrieb des Elektrolyseurs benutzt. Dieser spaltet unter Einfluß des Stroms das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Die bei diesem Prozeß freigesetzten Elektronen fließen als Strom zur Kathode. Hier wird der Sauerstoff reduziert. Die beiden Stoffe werden in der Brennstoffzelle wieder zusammengefügt. Bei der Fusion wird Energie freigesetzt, die von der Brennstoffzelle aufgenommen wird. Diese Energie kann für Verbraucher genutzt werden. Durch den Kreislauf Brennstoffzelle - Elektrolyseur muß kein Stoff nachgefüllt werden. Lediglich der Einfluß der Sonne ist ausschlaggebend für die Leistung dieses Moduls. 

Brennstoffzelle und Solar- Wasserstofftechnologie

Aufgrund der momentan herrschenden und sich in Zukunft noch verschlimmernden Ressourcenknappheit ist es unbedingt nötig mit erneuerbaren, umweltschonenden Energiequellen zu arbeiten.
Mit der Entwicklung der Solarzellen und der Sonnenkollektoren wurde schon ein wichtiger Baustein gelegt. Jedoch haben diese Solaranlagen einen nicht ausreichend hohen Wirkungsgrad und sind außerdem sehr teuer. Hier bietet die Brennstoffzelle klare Vorteile. Die Brennstoffzelle wandelt chemische Energie direkt in elektrische um und hat dabei einen sehr hohen Wirkungsgrad. Dieser liegt zwischen 45% und 65%. Im Vergleich zu Photovoltaiksystemen verlängert sie eindeutig die Wartungsintervalle von Anlagen in abgelegenen Regionen. Darüber hinaus sind Brennstoffzellen sehr umweltfreundlich und auch sehr kostentolerant.
Eine ideale Möglichkeit, Energie effizient zu nutzen, wäre eine Kombination von photovoltaischen Bausteinen mit einer Brennstoffzelle. Der Vorgang hätte dann folgenden Ablauf:
Anfangs kann die Solarzelle Strom aus den Sonnenstrahlen gewinnen. Dieser Strom wird dann verwendet um den Elektrolyseur zu betreiben. Nun kann der Elektrolyseur mit Hilfe des Stroms das Wasser in die beiden Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff spalten. Diese werden dann gespeichert und zur Brennstoffzelle geleitet. Wasserstoff zur Anode (Minus-Pol) und Sauerstoff zur Kathode (Plus-Pol). Der an der Brennstoffzelle entstandene Strom kann nun über den äußeren Stromkreis abgegriffen und weiterverwendet werden. Als Rückstand entsteht lediglich reines Wasser. Ingenieurmäßig muss hier allerdings noch für eine kontinuierliche Abführung gesorgt werden, damit die Zelle nicht überflutet wird.
Aufgrund der bereits genannten Vorteile ergeben sich viele kommerziell nutzbare Einsatzmöglichkeiten für Brennstoffzellen in naher Zukunft.
Einsatzmöglichkeiten werden sich vor allem im Automobilbaubereich zeigen, da wohl in naher oder ferner Zukunft die erzeugten Emissionen drastisch reduziert werden müssen.
Ebenfalls in der Raumfahrttechnik hat man schon eine Verwendung für eine weitgehend umweltfreundliche Brennstoffzelle gefunden. Die erzeugte Energie wird für die Bordcomputer und den Funkverkehr verwendet. Darüber hinaus die meisten Satelliten mit Wasserstoffstrom betrieben, um auch auf der sonnenabgewandten Seite die Energieversorgung zu gewährleisten.
Da sich wie schon erwähnt die Brennstoffzelle besonders durch ihre Umweltfreundlichkeit und ihren hohen Wirkungsgrad auszeichnet, lässt sie sich besonders gut für Kraftwerke einsetzen. In Zukunft sollen ganze Städte mit Wasserstoffenergie versorgt werden, indem jeder Haushalt an eine eigene Brennstoffzelle angeschlossen wird.
Auch in der Elektrotechnik kann die Brennstoffzelle sehr vielfältig eingesetzt werden:
In Hinweistafeln auf Autobahnen, welche den Verkehr regeln.
Ein Gabelstapler, der seine Energie aus einer 10-KW-Brennstoffzelle bezieht.
Sie kann, als Blockheizkraftwerk eingesetzt, Strom und Wärme liefern. Z.B. ist in einem kombinierten Hallen- und Freibad ein Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk für die Grundwärmeversorgung zuständig, wobei der gleichzeitig produzierte Strom ins öffentliche Netz geht.
Auch Leuchtbojen in Flüssen werden von einer Brennstoffzelle der Firma ABB mit Energie versorgt.
Entwickelt wurde ebenfalls eine Mini-Brennstoffzelle, die ein Notebook bis zu zehn Stunden lang mit Strom versorgen kann. Für eine Serienfertigung ist der Preis allerdings noch zu hoch.
Auch eine in den USA angefertigte Videokamera für den professionellen Einsatz, bezieht ihre Energie aus einer solchen Mini-Brennstoffzelle. Ein großer Vorteil hierbei ist, dass diese "Kleinkraftwerk" siebenmal so lange hält wie ein Hochleistungs-Akku.
Das Flugzeugprogramm der DaimlerChrysler Aerospace AG Cryoplane, will bis spätestens 2002 mit einem wasserstoffbetriebenen Flugzeug in der Luft sein.

Generell eignen sich stationäre Brennstoffzellen hervorragend für die Herstellung von Elektrizität, Wärme (bzw. Kälte) überall dort, wo gleichzeitig ein hoher Wärme- bzw. Kühlungs- und Strombedarf anfällt (beispielsweise in Krankenhäusern, Hotels, Schwimmbädern, Kaufhäusern)

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