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Brennstoffzelle


Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Im Sprachgebrauch steht Brennstoffzelle meist für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle.

Eine Brennstoffzelle ist kein Energiespeicher sondern ein Wandler. Die Energie zur Stromproduktion wird mit den Brennstoffen zugeführt. Zusammen mit einem Brennstoffspeicher kann eine reversible Brennstoffzelle einen Akkumulator ersetzen.

Einordnung:

Die Gewinnung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern erfolgt heute zumeist durch Verbrennung in einer Wärmekraftmaschine in Verbindung mit einem Generator über den Umweg der thermischen und der Bewegungsenergie. Die Brennstoffzelle ist geeignet, die Umformung ohne Umweg zu erreichen und damit potenziell effizienter zu sein. Dabei unterliegt sie nicht den Restriktionen des Carnot-Prozesses. Zudem sind Brennstoffzellen im Vergleich zum System "Wärmekraftmaschine-Generator" einfacher aufgebaut und können zuverlässiger und abnutzungsfester als diese sein.

Besonders vielversprechend ist dabei die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Wasserstoff kommt in der Natur fast nur in gebundener Form vor und muss daher erst erzeugt werden.

Brennstoffzellen werden bereits als Energiewandler in der Raumfahrt (Apollo, Space Shuttle) und für U-Boot-Antriebe verwendet.

Die häufig diskutierte Verdrängung des Verbrennungsmotors als Automobilantrieb ist derzeit nicht erkennbar, zumal Alternativen vorhanden sind.

Geschichte:

Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde schon 1838 von Christian Friedrich Schönbein entdeckt [1], indem er zwei Platindrähte in einer Elektrolytlösung (wahrscheinlich Schwefelsäure) mit Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff umspülte und zwischen den Drähten eine Spannung feststellte. 1839 veröffentlichte Schönbein diese Ergebnisse. Im gleichen Jahr schrieb Sir William Grove eine Notiz über das "batterisierte" Knallgas und wandte diese Erkenntnisse in Zusammenarbeit mit Schönbein in mehreren Versuchen an.

Aufgrund der Erfindung der Dynamomaschine durch Werner von Siemens geriet die von ihm als "Galvanische Gasbatterie" bezeichnete Erfindung zunächst in Vergessenheit, da die Dynamomaschine in Verbindung mit der Dampfmaschine bezüglich Brennstoff und Materialien relativ einfach und unkompliziert war.

Ihre Renaissance erlebte die Brennstoffzelle ab den 1950er Jahren mit der beginnenden Raumfahrtforschung. Sie gewinnt seitdem kontinuierlich an Bedeutung. In Island wird sie im Zuge der eingeführten Wasserstoffwirtschaft bald flächendeckend eingesetzt. Die momentan leistungsfähigste stationäre Brennstoffzelle ist eine Hochtemperatur-Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle und steht im Forschungszentrum Jülich.

Anwendungen:

Die ersten Anwendungen von Brennstoffzellen ergaben sich in Bereichen, in denen die Kosten keine Rolle spielten, wobei die spezifischen Vorteile gegenüber billigen Dieselgeneratoren überwogen. Brennstoffzellen sind leichter als Akkumulatoren und zuverlässiger und leiser als Generatoren. Zudem arbeiten Brennstoffzellen zusammen mit einem Elektromotor effizienter als Verbrennungsmotoren.

Die besondere Stärke von Brennstoffzellen ist jedoch die hohe Energiedichte, wodurch sich das frühzeitige Interesse des Militärs und der Raumfahrt an dieser Technik erklärt. Der Vorteil der Energiedichte wird jedoch bei Akkumulatoren, bei denen der Elektrolyt aus einem Tank an den Elelektroden vorbeigepumpt wird, großteils aufgehoben

Mobiler Einsatz:

Mehrere Automobilfirmen (unter anderem BMW, Volkswagen, Toyota, DaimlerChrysler, Ford, Honda, General Motors/Opel) forschen seit zum Teil 20 Jahren an Automobilen, deren Treibstoff Wasserstoff ist, und die zur Energieumwandlung Brennstoffzellen sowie einen Elektromotor zum Antrieb nutzen. Ein Beispiel sind die Fahrzeuge NECAR 1 bis NECAR 5 sowie Mercedes-Benz F-Cell von DaimlerChrysler. Das schweizerische Hy-Light-Fahrzeug rückte 2004 ins Licht der Öffentlichkeit. Derzeit gehen einige MAN-Brennstoffzellenbusse in Berlin für die BVG in Betrieb. [2] Bei BMW ist die Brennstoffzelle nicht originär zur Erzeugung elektrischer Antriebsenergie gedacht. Das Konzept sieht hier vor, im von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Wasserstoff-Fahrzeug (z. B. 7er Baureihe, Typ E68) das permanent aus dem Wasserstofftank abdampfende Gas in einer Brennstoffzelle zur Stromversorgung des Fahrzeuges zu nutzen, anstatt den Wasserstoff ins Freie entweichen zu lassen.

Förderlich für die erheblichen Anstrengungen in der Forschung war in den USA insbesondere der Zero emission act bzw. das Zero Emission Vehicle mandate (ZEV), die vorsehen, dass Autos zukünftig abgasfrei fahren sollen. Für das Jahr 2003 war vorgesehen, dass 10 % aller neu zugelassenen Fahrzeuge in Kalifornien diesem Gesetz unterliegen sollten. Kurz vorher, nach massivem Druck der amerikanischen Automobilindustrie, wurde das ZEV jedoch gekippt, wenn es auch weiterhin diskutiert wird.

Durch den verstärkten Einsatz von emissionsfreien Fahrzeugen in Ballungszentren und Großstädten wird eine Verbesserung der dortigen Luftqualität erwartet. Ein Nebeneffekt wäre allerdings, dass die Emissionen vom Ort der Fahrzeugnutzung dorthin verlagert werden, wo der Wasserstoff hergestellt wird, soweit dies nicht aufgrund regenerativer Verfahren erfolgt. Der Wasserstoff wird mittels Elektrolyse hergestellt, wofür sehr viel Strom benutzt werden muss, dessen Erzeugung mehr Energie verbraucht, als letztendlich aus dem Wasserstoff herausgeholt werden kann.

Für den breiten Einsatz der mobilen Wasserstoffanwendungen ist der gleichzeitige Aufbau von Wasserstofftankstellen erforderlich. Am sinnvollsten geschieht das durch den Umbau der Energiewirtschaft zu einer Wasserstoffwirtschaft. Für die Mitnahme von Wasserstoff in Fahrzeugen kommen neben Druckbehältern auch andere Formen der Wasserstoffspeicherung in Frage, beispielsweise in Metallhydriden oder unter hohem Druck und niedriger Temperatur als flüssiger Wasserstoff.

Trotz des hohen Wirkungsgrads der Brennstoffzelle gestaltet sich die Abfuhr der Abwärme auf dem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau der PEM-Brennstoffzelle von etwa 80°C als problematisch, denn im Gegensatz zum Verbrennungsmotor beinhaltet das relativ kalte Abgas (Wasserdampf) nur eine vergleichsweise geringe Wärmemenge. Demzufolge ist man bestrebt, die Betriebstemperatur der PEM-Brennstoffzelle auf über 100°C anzuheben, um leistungsstärkere Brennstoffzellen-Automobile mit mehr als 100 kW realisieren zu können.

Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes kann die Startfähigkeit der Brennstoffzelle aufgrund gefrierenden Wassers beeinträchtigt sein. Es muss sichergestellt sein, dass die elektrochemische Reaktion, insbesondere die Diffusion der Brenngase, nicht durch Eisbildung behindert wird. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Elektrodenstruktur erzielt werden. Verschiedene Hersteller haben 2003 und 2004 bereits nachgewiesen, dass der Gefrierstart von PEM-Brennstoffzellen bei Temperaturen von bis zu 20°C möglich ist; die Startzeiten seien mit denen von Verbrennungsmotoren vergleichbar.

Die schon seriennah verfügbaren Prototypen kleinerer Fahrzeuge haben zum Ziel, die Größe, das Gewicht und die Kosten der Brennstoffzelle und eine geeignete Speicherung des Wasserstoffes zu erproben. So hat DaimlerChrysler Fahrzeuge der A-Klasse mit Brennstoffzellen vorgestellt. In Hamburg und Stuttgart werden Busse mit Wasserstoffantrieb im normalen Linienbetrieb getestet.

Bei U-Booten ist Deutschland der einzige Anbieter eines serienmäßig hergestellten Modells mit Brennstoffzellen-Zusatzantrieb. Die HDW Kiel in Kooperation mit Siemens und Nordseewerke Emden liefert seit 2005 die U-Boot-Klasse 212 mit einem solchen Antrieb (AIP: air independent propulsion) aus. Er leistet etwa 300 kW (408 PS) und ermöglicht eine Schleichfahrt ohne den 1050kW Dieselgenerator.

Seit 2007 fahren im Fuhrpark des Bundesverkehrsministeriums die ersten Autos mit Brennstoffzellen-Antrieb.

Mögliche Alternativen zur direkten Wasserstoffspeicherung sind Treibstoffe wie Ethanol, Methanol oder andere Kohlenwasserstoffe, von denen kurz vor Gebrauch der Wasserstoff durch katalytische Verfahren gewonnen wird.
Diese Verfahren tragen jedoch in nicht unerheblichem Maße durch CO2-Ausstoß zur Umweltbelastung bei, was die ansonsten perfekte Umweltverträglichkeit der Brennstoffzelle einschränkt. Dies ist jedoch dann nicht der Fall, wenn die Treibstoffe aus regenerativ erzeugter Biomasse stammen. Die Wirtschaftlichkeit dieser Verfahren krankt heute zudem am Katalysator, deren beste Varianten das teure Platin enthalten.

Seit Mitte 2005 sind Brennstoffzellen auch in der Luftfahrt anzutreffen. Eine erste Drohne, deren Elektromotoren von einer Brennstoffzelle angetrieben werden, startete in Yuma, Arizona. Das DLR arbeitet zur Zeit an der Integration der Brennstoffzellentechnik in das unbemannte Forschungsflugzeug "HyFish", welches im März 2007 in der Nähe von Bern erfolgreich seinen Erstflug absolvierte.

Ende Oktober 2006 erklärte VW den endgültigen Durchbruch bei der Herstellung von kostengünstigen, leistungsfähigen Brennstoffzellen im Hochtemperaturbereich. Probleme werden weniger beim Durchbruch der Brennstoffzellentechnik auf der Fahrzeugseite, sondern mehr in der kostengünstigen und dabei umweltschonenden Gewinnung von Wasserstoff gesehen.

Ausführlicher zum Thema Brennstoffzelle bei Wikipedia.


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