Die Brennstoffzelle

1. Die Brennstoffzelle Saubere Energie

2. Übersicht • Geschichte der Brennstoffzelle • Aufbau • Funktionsweise – Die Chemie • Typen von Brennstoffzellen • Eigenschaften – Vor- und Nachteile • Zukunftsblick • Quellen

3. Was ist eine Brennstoffzelle? • Eine BZ ist ein galvanisches Element, in dem durch elektrochemische Oxidation einer leicht zu oxidierenden Substanz (z.B. Wasserstoff) mit Sauerstoff elektrische Energie erzeugt wird. • Dieser Vorgang heißt „elektrochemische Verbrennung“.

4. Geschichte der Brennstoffzelle • Christian Friedrich Schönbein (1799-1868) entdeckte bereits 1838 das Prinzip der BZ • Er stellte zwischen zwei mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff umspülten Platinelektroden in einer Elektrolytlösung eine Spannung fest.

5. Geschichte der Brennstoffzelle • 1839 baute Sir William Grove (1811-1896) zusammen mit Schönbein die erste BZ.

6. Geschichte der Brennstoffzelle • Auf Grund der Erfindung des Elektrodynamos durch Werner von Siemens konnte sich die BZ nicht durchsetzen. • Erst in der zweiten Hälfte des 20. Jh. gewann die BZ an Bedeutung.

7. Geschichte der Brennstoffzelle • Das Militär und die Raumfahrt begannen ab den 50iger Jahren die BZ zu nutzen. Hier waren nicht die Kosten sondern nur die spezifischen Vorteile bedeutend. U-Boot Saturn V Rakete

8. Geschichte der Brennstoffzelle • Ab den 70iger Jahren wurde die Brennstoffzelle auch für zivile Anwendungen interessant, vor allem auf Grund der Umweltverschmutzung. • Seit Anfang der 90iger Jahre hat die Technik große Fortschritte gemacht.

9. Aufbau einer Brennstoffzelle • Eine BZ besteht aus 3 Schichten. • Anode und Kathode werden mit H2 / O2 umspült und dienen als Katalysator (z.B. Platin, Palladium). • Der Elektrolyt ermöglicht einen Ionenaustausch und kann flüssig oder fest sein, je nach Brennstoffzellen-Typ.

10. Aufbau einer Brennstoffzelle • PEMFC – Proton Exchange Membrane Fuel Cell

11. Aufbau einer Brennstoffzelle • Mit einer H2 / O2 Brennstoffzelle kann man theoretisch 1,23 Volt erzeugen, in der Praxis werden 0,6 – 0,9 Volt erreicht. • Um mehr Spannung zu bekommen, werden mehrere Zellen zu einem so genannten „Stack“ zusammengeschlossen.

12. Funktionsweise • Eine Brennstoffzelle kehrt den Prozess der Wasser-Elektrolyse um. Prinzip der Elektrolyse Prinzip der Brennstoffzelle

13. Funktionsweise Verbraucher H2 O2 Elektrolyt Anode Membran Kathode

14. Funktionsweise Anode: Oxidation 2H2 -> 4H+ + 4e- Kathode: Reduktion O2 + 4e- -> 2O2- ------------------------------------------------------------------------------------ Gesamt: 2H2 + O2 -> 2H2O

15. Funktionsweise • Die Reaktion in einer BZ ist im Prinzip eine geregelte Knallgasreaktion. Oxidation und Reduktion laufen jedoch getrennt voneinander ab („kalte Verbrennung“) • Die chemische Energie wird hauptsächlich in elektrische Energie umgewandelt.

16. Typen von Brennstoffzellen • PEMFC - Proton Exchange Membrane Fuel Cell • Ionenaustausch über Polymermembran • Leistung bis 250 kW • Geringe Betriebstemperatur (100 - 120°C) • Relativ günstige Fertigung • Mögliche Nutzung von Straßenbahnen bis zum Handy

17. Typen von Brennstoffzellen • AFC – Alkaline Fuel Cell • Kalilauge dient als Elektrolyt • Leistung bis 20 kW • Sehr geringe Betriebstemperatur (80°C) • Ältester Brennstoffzellentyp • Benötigt reinen Sauerstoff und Wasserstoff • Werden auch heute noch in der Raumfahrt eingesetzt

18. Typen von Brennstoffzellen • PAFC – Phosporic Acid Fuel Cell • Phosphorsäure als Elektrolyt • Leistung bis 11 MW • Hohe Betriebstemperatur (200°C) • Auf Grund der hohen Leistung und der hohen Betriebstemperatur werden PAFC hauptsächlich als Blockheizkraftwerke verwendet.

19. Typen von Brennstoffzellen • DMFC – Direct Methanol Fuel Cell • Ionenaustausch über Polymermembran • Die DMFC funktioniert mit Methanol als Reaktionsmittel • Methanol lässt sich leichter speichern als Wasserstoff • Bei einer DMFC entstehen als Abfallprodukt nicht nur Wasser sondern auch CO2

20. Eigenschaften - Vorteile

21. Eigenschaften - Vorteile • BZ haben einen Wirkungsgrad von 40-70% (Benzinmotor 10-25%) • Laufruhig und leise • Einsetzbar vom Handy bis zu Kraftwerken. • Unabhängig von Erdöl • Die Technik der BZ bietet noch viel Raum für Optimierungen.

22. Eigenschaften - Nachteile • Noch teuer in der Herstellung. • Forschung und Entwicklung werden bei Produkten in den Preis mit eingerechnet. • Wasserstoff ist schwierig zu speichern. • Eine flächendeckende Verbreitung von Wasserstoff/Methanol Tankstellen wird mehrere Jahre in Anspruch nehmen. • Technik beim Verbraucher noch recht unbekannt.

23. Zukunftsblick • Die Brennstoffzelle kann und wird in der Zukunft andere Energiequellen ersetzen. • Vorerst werden BZ hauptsächlich in Einzelsituationen und Flottenbetrieben eingesetzt werden. • Ab 2010 soll die Massenproduktion von Brennstoffzellen-Autos beginnen.

24. Zukunftsblick • Entscheidend ist auch, wie der Wasserstoff hergestellt wird. Bei der Wasserstoffgewinnung muss auf Umweltfreundlichkeit geachtet werden. Miniatur-Brennstoffzelle

25. Quellen • Buch „Elemente Chemie II“ • www.innovation-brennstoffzelle.de • www.wikipedia.de • www.diebrennstoffzelle.de • www.mercedes-benz.de • www.hydrogeit.de • www.uni-bayreuth.de