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Brennstoffzelle - Der quadratische Schichtbereich in der Mitte des Fotos ist die Brennstoffzelle.

Brennstoffzellen sind elektrochemische Geräte, die chemische Energie von einem durch Reaktion direkt in elektrische Energie. Die chemische Energie muss also nicht erst in thermische Energie und mechanische Energie umgewandelt werden, sodass kaum Verluste entstehen und die Brennstoffzelle sehr effizient Energie erzeugt. Innerhalb der Zelle, a redox Reaktion Platz. Insofern ähnelt eine Brennstoffzelle einem Batterie oder Batterie; dennoch gibt es einen wichtigen Unterschied zwischen einer Batterie oder Batterie und einer Brennstoffzelle. Denn in einer Brennstoffzelle Reagenzien (zum Beispiel: Wasserstoff und Sauerstoff) werden von außen zugeführt, während die Reagenzien in einer Batterie oder einem Akkumulator in einem geschlossenen System gespeichert werden.

Operation

Eine Brennstoffzelle besteht aus einem porösen Anode und Kathode mit einem dazwischen Elektrolytschicht.

Wasserstoff und Sauerstoff werden der Brennstoffzelle getrennt voneinander zugeführt. Der Wasserstoff an der Anode und der Sauerstoff (Oxidationsmittel) an der Kathode. In der Zelle werden diese beiden Stoffe durch eine Membran getrennt. Mit Hilfe von a Katalysator wird der Wasserstoff (H₂) an der Anode in zwei H . gespalten-Ionen (Protonen) und zwei Elektronen (e⁻). Über einen Stromkreis fließen die Elektronen dann zur Kathode: Das ist der elektrische Strom, mit dem man beispielsweise einen Elektromotor antreiben kann. Die Protonen fließen durch die Elektrolyt zur Kathode. An der Kathode vereinigen sich die Protonen und Elektronen wieder und reagieren mit dem Sauerstoff (O₂) an der Kathode eingetragen. Dadurch entsteht Wasser (H₂Ö). Nachfolgend ein Überblick über die chemischen Reaktionen, die in einer Brennstoffzelle ablaufen:

Anode: ${displaystyle {ce {H2 -> 2H 2.-}}}$

Kathode: ${displaystyle {ce {O2 4H 4e- -> 2H2O}}}$

Ganze Zelle: ${displaystyle {ce {2H2O2 -> 2H2O Energie}}}$ (Strom und Wärme)

Eine einzelne Brennstoffzelle liefert theoretisch eine Spannung von etwa 1,20 Volt, in der Praxis ist diese Spannung jedoch viel niedriger; zwischen 0,5 und 0,8 Volt. Um die Spannung zu erhöhen, werden einzelne Zellen übereinander gestapelt und in Reihe geschaltet. Der resultierende Stapel wird als Brennstoffzellenstapel oder Stapel bezeichnet.

Effizienz

Bei Brennstoffzellen sind höhere Wirkungsgrade möglich als bei konventionellen Verbrennungsmotoren oder Dampfmaschinen, weil die Energieumwandlung nicht der Karottenzyklus. Im Karottenkreislauf wird chemische Energie zunächst in Wärme und erst dann in mechanische Energie umgewandelt:

• Brennstoffzelle: chemische Energie → elektrische Energie (Arbeit)
• Carnot-Zyklus: chemische Energie → Wärme → mechanische Energie (Arbeit)

Im letzten Schritt, aufgrund der Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik entstehen zwangsläufig große Verluste, da immer nur ein Teil der Wärme in Arbeit umgewandelt werden kann. Dies ist bei Brennstoffzellen nicht der Fall. Allerdings treten auch bei Brennstoffzellen Umwandlungsverluste auf. Eine typische 0,7-Volt-Brennstoffzelle hat einen Wirkungsgrad von etwa 50 %.

Die Geschichte

Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle wurde 1838 von dem Schweizer Wissenschaftler entdeckt Christian Friedrich Schönbein, der seine Ergebnisse ein Jahr später in einer der damaligen wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlichte. Schönbein schrieb, er habe aus der chemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff auf Platten aus Platin Elektrizität erzeugt.

Als der britische Physiker Sir William Robert Groves las Schönbeins Artikel, er erkannte, dass die Schweizer eine Kehrseite hatten Elektrolyse durchgeführt hatte. Grove stellte für seine Experimente oft Wasserstoff her, indem er Strom durch Wasser leitete, das dann in Wasserstoffgas und Sauerstoff aufgespalten wurde. Schönbein hingegen hatte Wasserstoff und Sauerstoff kombiniert, wodurch Elektrizität freigesetzt wurde. Grove entwickelte eine Möglichkeit, diese Entdeckung praktisch zu nutzen, und entwickelte 1843 die erste galvanische Gasbatterie: eine Reihe von Röhren, die Wasserstoffgas und Sauerstoff enthielten, die zusammen mit einigen anderen Substanzen für etwa 36 electricity Strom erzeugten Std. Diese Batterie war der Vorläufer der heutigen Brennstoffzelle. Allerdings produzierte die Batterie zu wenig Strom, um mit der Verbrennungsmotor und trat bald in den Hintergrund.

Im Jahr 1932 nahm Francis Thomas Bacon (1904-1992) und seine Gruppe in Cambridge nahmen die Forschung an der Brennstoffzelle wieder auf. 1959 demonstrierten sie ihre fünf .Brennstoffzellen Kilowatt mit einem Wirkungsgrad von 60 Prozent. Die Zelle verwendete Wasserstoff mit einem basischen Elektrolyten. Die Elektroden bestanden aus porösem Nickel, einem billigen Metall. Ungefähr zu dieser Zeit ist die Weltraumrennen in vollem Gange und für das Apollo-Programm suchte die NASA nach effizienten, hocheffizienten Stromquellen. Das alkalische Brennstoffzelle van Bacon war wegen seines hohen Wirkungsgrades und seiner geringen Masse hervorragend geeignet, und mit reinem Wasser als Abfall konnte er auch Trinkwasser bereitstellen. Allerdings hatte die alkalische Brennstoffzelle auch einige Nachteile: Die Zelle war sehr teuer und hatte eine relativ kurze Lebensdauer.

Weitere technologische Entwicklungen ab 1980, wie der Einsatz von Nafion® als Elektrolyt und die Reduzierung des Platinanteils, haben den Einsatzbereich der Brennstoffzellen erweitert.

Arten von Brennstoffzellen

Der Toyota FCHV verwendet a PEM-FC-Brennstoffzelle

Die Namen der verschiedenen Brennstoffzellentypen orientieren sich am Material des verwendeten Elektrolyten. Bei der Betrachtung der Betriebstemperatur lassen sich Brennstoffzellen in zwei Gruppen einteilen:

Niedertemperatur-Brennstoffzellen:

• AFC: Alkalische Brennstoffzelle (alkalische Brennstoffzelle)
• DBFC: Direkte Borhydrid-Brennstoffzellen
• DMFC: Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (Direkt-Methanol-Brennstoffzelle - benannt nach dem Brennstoff und nicht nach dem Elektrolyten)
• FAFC: Ameisensäure-Brennstoffzelle
• PEM-FC: Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle oder Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (Festpolymer-Brennstoffzelle)
• Reversible Brennstoffzelle
• Redox-Brennstoffzelle
• Zink-Brennstoffzelle
• MFC: Mikrobielle Brennstoffzelle (Biobrennstoffzelle)

Hochtemperatur-Brennstoffzellen:

• PAFC: Phosphorsäure-Brennstoffzelle (Phosphorsäure-Brennstoffzelle)
• PCFC: Protonische Keramikbrennstoffzelle
• MCFC: Brennstoffzelle mit geschmolzenem Karbonat (Brennstoffzelle mit geschmolzenem Karbonat)
• SOFC: Festoxid-Brennstoffzelle

Fortschritt

In den Hochtemperaturzellen (MCFC und SOFC) die Lebensdauer der Zellstacks auf mindestens 90.000 Stunden (ca. 10 Jahre) zu verlängern, ist eine der größten technischen Herausforderungen.

Der größte Nachteil der Wasserstoffanwendung im Jahr 2010 sind die Kosten. Als die NASA zum ersten Mal eine Brennstoffzelle einsetzte, a Kilowattstunde (kWh) mehr als 58 Euro. Im Jahr 2000 waren die Kosten bereits auf etwa 0,10 Euro pro kWh gesunken, im Jahr 2006 hängen die Kosten hauptsächlich von der Entfernung ab, über die Wasserstoff muss mitgeliefert werden.In den Regionen Rotterdam und Delfzijl Wasserstoff entsteht als Nebenprodukt in der Prozessindustrie. Kofinanziert von SenterNovem (Durchführungsorganisation des Wirtschaftsministeriums im Bereich Nachhaltigkeit und Innovation), der niederländische Brennstoffzellenhersteller Nedstack zusammen mit AKZO Nobel Chemicals baute 2006/2007 ein Pilotkraftwerk in Delfzijl mit a elektrisch Leistung von anfänglich 100 kW, mit dem Endziel eines 5 MW PEM-Kraftwerks, in dem die Brennstoffzellen in einem Dauertest getestet werden. Der als Kraftstoff verwendete Wasserstoff wird als Nebenprodukt der elektrolytisch Vorbereitung von Chlor und die Brennstoffzellen liefern einen Teil der notwendigen Elektrizität.

Je nach Brennstoff haben viele Brennstoffzellen saubere Abfallprodukte, wie beispielsweise reines Wasser, die die Umwelt nicht belasten. Dieser Vorteil wird jedoch oft zunichte gemacht, wenn die eingesetzten Brennstoffe aus oder unter Nutzung vorhandener unsauberer Energieträger (Erdgas, Kohle) gewonnen werden müssen, was die Umwelt belastet. Es wäre daher wünschenswert, den Brennstoff aus einer sauberen Quelle zu beziehen, zum Beispiel durch Solarenergie oder Wasserkraft Wasser zum Aufspalten Wasserstoff und Sauerstoff. Es wurde bereits viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit geleistet, um ein sauberes, sogenanntes Wasserstoffwirtschaft erreichen; die Technologie ist fertig, die Brennstoffzellen sind ausreichend entwickelt für den Einsatz zum Beispiel in Mikro-BHKW und im Pkw liegt das Problem nun in der Verteilung von Wasserstoff, etwa der Einführung ausreichender Tankstellen und austauschbarer (wiederbefüllbarer) Tanks.

Um 2010 wird es den Entwicklungsunternehmen gelingen, den Einstandspreis von Brennstoffzellen jährlich um etwa die Hälfte zu halbieren. Als kostengünstige Anwendung kamen 2006 Anwendungsgebiete wie Stadtbusse, Binnenschiffe und innerbetrieblicher Verkehr in Betracht. 2010 erschienen die ersten Brennstoffzellensysteme, die in Preis und Leistung mit dem heutigen Verbrennungsmotor mithalten konnten. Die Lebensdauer ist noch ein ungewisser Faktor.Autohersteller Honda entwickelt seit 1989 ein Brennstoffzellenauto. Die ersten Fahrversuche begannen 1999 und die ersten Modelle wurden schließlich 2002 unter anderem an das japanische Kabinett ausgeliefert.^[1] und Toyota ein Brennstoffzellen-Produktionsmodell für 2015 angekündigt.^[2]Hyundai hat die ix35 eine Brennstoffzelle entwickelt, die nun in begrenzter Stückzahl auf dem europäischen Markt eingeführt wird.

Neben autarken Brennstoffzellen wird auch an Brennstoffzellen gearbeitet, die Gasturbinen vorgeschaltet sind^[3] und Gasmotoren^[4].

Es werden auch Brennstoffzellen entwickelt, die an einen Reformer gekoppelt sind und so in der Lage sind, Erdgas oder andere Brennstoffe zu nutzen.

Siehe auch

• Tabellenvergleich
• Biobrennstoffzelle
• Brennstoffzellenauto
• Brennstoffzellenbus
• Wasserstoffauto

Externe Links

• Brennstoffzellen-Handbuch, siebte Auflage (detaillierte Informationen zu Brennstoffzellen)

Mediendateien zu diesem Thema finden Sie auf der Seite Brennstoffzelle auf Wikimedia Commons.