Zusammenfassung: Brennstoffzellen
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Brennstoffzellen
von Dipl.-Ing. Sven Geitmann
Wird über Wasserstoff als Kraftstoff für die Zukunft
gesprochen, dann ist auch das Thema Brennstoffzelle nicht fern. Die Brennstoffzelle (BSZ)
ist sozusagen prädestiniert für die Umwandlung der im Wasserstoff gespeicherten,
chemischen Energie. Es eignen sich jedoch auch diverse Kohlenwasserstoff-Verbindungen
(Erdgas, Biogas, Propan usw.) für die Nutzung in Brennstoffzellen. Die einzige
Voraussetzung ist, dass der Wasserstoff-Anteil dieser Kraftstoffe möglichst hoch ist.
Angefangen hat die BSZ-Technik bereits vor über 160 Jahre. Im Jahr 1838 fand der
Professor Christian Friedrich Schönbein (1799 bis 1868) von der Universität Basel
experimentell heraus, dass Elektrizität freigesetzt werden kann, wenn Wasserstoff mit
Sauerstoff (oder Chlor) reagiert. Ein Freund Schönbeins, der walisische Richter Sir
William R. Grove (1811 bis 1896) erfuhr von diesem Polarisationseffekt und forschte
selbstständig weiter. Grove deutet dieses Phänomen als die Umkehrung der Elektrolyse und
erkannte, dass auf diese Weise elektrische Energie erzeugt werden kann. Er schaltete
mehrere einzelne Elemente in Reihe und nannte seine Vorrichtung "Gasbatterie"
(1839). Damals wurde kaum Notiz von seiner Arbeit genommen, aber jetzt im nachhinein gilt
er als der Erfinder der Brennstoffzelle.
Erste, ernstzunehmende Forschungsarbeiten gab es zuerst in den sechziger Jahren im Zuge
der Raumfahrt und dann wieder in den achtziger Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts.
Intensiviert wurden die Entwicklungsarbeiten jedoch erst in den neunziger Jahren. Speziell
in den letzten Jahren hat das Interesse am Einsatz der BSZ-Technologie sprunghaft
zugenommen. Indikatoren hierfür sind unter anderem eine deutlich zunehmende Anzahl von
Firmengründungen, Demonstrationsanlagen, Prototypen, Veröffentlichungen und Vorträgen
in diesem Bereich sowie erhöhte Aktivitäten bei der Bildung nationaler bzw.
internationaler Wasserstoff-Verbände und Forschungsprojekte.
Ein wesentlicher Punkt, weswegen die Brennstoffzelle teilweise hochgelobt wird, liegt in
ihrer Fähigkeit, chemisch gespeicherte Energie direkt in Strom umwandeln zu können.
Konventionelle Stromerzeuger benötigen meist einen dreistufigen Umwandlungsprozess. Wird
beispielsweise Benzin in einem Verbrennungsmotor eingesetzt, dann wird zuerst die chemisch
gespeicherte Energie des Kraftstoffes in der Brennkammer des Hubkolben-Motors freigesetzt.
Die dabei abgegebene thermische Energie bewirkt eine Volumenänderung, wodurch
Bewegungsenergie erzeugt wird. Diese kinetische Energie kann eine Welle antreiben, so dass
mit Hilfe eines Generators elektrische Energie erzeugt werden kann. Während dieser
Prozedur treten an mehreren Stellen Verluste auf, und der Gesamt-Wirkungsgrad nimmt mit
jeder Umwandlung weiter ab. Eine Brennstoffzelle hingegen kann direkt die im Wasserstoff
gespeicherte Energie in Strom umwandeln. Verständlicherweise bedeutet dieser kürzere Weg
auch einen höheren Wirkungsgrad. Darüber hinaus besitzt die Brennstoffzelle keinerlei
bewegliche Teile, so dass keine Reibungsverluste und damit auch kein Verschleiß und kaum
Geräusche auftreten.
Funktionsweise einer BSZ
Wasserstoff (H2) ist von sich aus bestrebt, zusammen mit Sauerstoff (O2) zu Wasser (H2O)
zu reagieren. Dazu bedarf es keiner externen Energiezufuhr, statt dessen wird sogar
Energie abgegeben (endotherme Reaktion). Vielfach wird bei dieser Reaktion an die
Knallgas-Reaktion gedacht, die eventuell im Chemie-Unterricht anhand eines lauten Knalles
veranschaulicht wurde und dadurch besonders gut in Erinnerung geblieben ist. Bei einer
derartigen Reaktion sind ebenfalls Wasserstoff und Sauerstoff als Ausgangsprodukte
beteiligt. Es muss jedoch reiner Sauerstoff vorhanden sein, der unter einem ganz
bestimmten Verhältnis (1:2) mit Wasserstoff vermischt und dann gezündet wird. Lediglich
unter diesen speziellen Umständen kommt es zu einer derart lauten Reaktion. Es passiert
hingegen nichts, wenn zu wenig Sauerstoff vorhanden ist oder das Mischungsverhältnis
abweicht oder die Zündquelle fehlt. Demzufolge kann es in einer Brennstoffzelle zu keiner
Knallgas-Reaktion kommen. Der Sauerstoff wird meist der Luft entnommen und ist daher mit
79 Vol.-% Stickstoff vermischt. Außerdem befindet sich im Inneren einer Brennstoffzelle
keine Zündquelle, und Wasserstoff und Sauerstoff sind voneinander getrennt. Der
Kraftstoff soll zwar mit dem Sauerstoff reagieren, aber nicht schlagartig. Deswegen
spricht man bei diesem Vorgang auch von der "kalten Verbrennung".
Es gibt mehrere verschiedene Arten von Brennstoffzellen. Einen groben Überblick über die
unterschiedlichen BSZ-Typen gibt die folgende Tabelle.
Tab. 1: Vergleich verschiedener BSZ-Arten
Kraftstoff | Betriebs-Temp. | elektr. Wirkungsgrad | Flächenleistung | Bemerkung | |
AFC | H2 | 60 - 80°C | 60 % | - | CO2-frei, 2bar |
DMFC | CH3OH (Methanol) | 80°C | 40 - 50 % | - | - |
PEMFC | H2 | 80 - 100°C | 40 - 50 % | 0,6W/cm2 | CO |
PAFC | H2 | 200°C | 40 - 45 % | 0,2W/cm2 | CO |
MCFC | H2 (CH4, Biogas) | 650°C | 55 - 60 % | 0,1 W/cm2 | - |
SOFC | H2 (CH4) | 800 - 1.000°C | 60 % | 0,4W/cm2 | - |
Anwendungsgebiete
Bei der praktischen Anwendung von Wasserstoff als Kraftstoff muss unterschieden werden
zwischen der bisherigen Anwendung als Industriegas und der zukünftigen Anwendung als
potentieller Energieträger in einer solaren Wasserstoff-Wirtschaft.
Bisher beschränkte sich die Nutzung von Wasserstoff (meist als Gas) auf industrielle
Prozesse in Raffinerien oder bei der Fetthärtung und auf die Herstellung von
Düngemitteln (Ammoniak-Synthese), Kunststoffen, Kunstharzen sowie Lösungsmitteln.
Wenn jedoch von der Nutzung der zukünftigen Wasserstoff-Technologie die Rede ist, ist
damit die Verbrennung entweder in Hubkolben-Motoren oder in Brennstoffzellen gemeint.
Allein die Brennstoffzelle umfasst ein sehr großes Anwendungsgebiet. Neben dem
Verbrennungsmotor gibt es ansonsten nur noch die katalytischen Brenner als einsetzbare
Energiewandler.
Grundsätzlich ist der Einsatz von Brennstoffzellen bei Klein- und Kleinstverbrauchern
ebenso möglich wie bei großen Kraftwerken. Pilotanlagen zur Versorgung gesamter
Häuserkomplexe existieren ebenso wie Demonstrationsobjekte für Laptops, Handys,
Staubsauger oder Fahrräder.
Der Autor Sven Geitmann hat auch zwei Bücher zu dieser Thematik veröffentlicht:
Wasserstoff & Brennstoffzellen Die Technik von morgen! ISBN 3-8311-3273-9
Wasserstoff- & Brennstoffzellen-Projekte ISBN 3-8311-3280-1
Beide erschienen im Hydrogeit-Verlag, Berlin 2002
Kontakt: http://www.hydrogeit.de,
info@hydrogeit.de, Tel/Fax: 033055-21322/20
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