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Brennstoffzellen




Brennstoffzellen

Bereits im Jahre 1839 wurde der Grundstein für die heutige Brennstoffzellentechnik gelegt.
Der wallisische Jurist und Physiker Sir William Robert Grove (1811-1896) war es, der den ersten funktionsfähigen Prototypen konstruierte. Dieser bestand aus zwei Platin-Elektroden, die jeweils von einem Glaszylinder umschlossen waren. In dem einen Glaszylinder befand sich Wasserstoff, in dem anderen Sauerstoff. Beide Elektroden tauchten in verdünnte Schwefelsäure ein, die als Elektrolyt diente und die elektrische Verbindung schuf. An den Elektroden konnte eine Spannung abgegriffen werden. Da diese sehr gering war, schaltete Grove mehrere dieser Brennstoffzellen zusammen, um eine höhere Spannung zu erhalten.

Groves Zeitgenossen verkannten seine Entdeckung, und das Thema Brennstoffzelle geriet in Vergessenheit. Erst in den 1950er Jahren, im Zeichen des kalten Krieges, wurde seine Idee wieder aufgegriffen. In der Raumfahrt und in der Militärtechnik wurden kompakte und leistungsfähige Energiequellen benötigt.

In Raumfahrzeugen und U-Booten gibt es Bedarf an elektrischer Energie, ohne dass Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können. Da Batterien für Raumfahrzeuge zu schwer sind, entschied sich die NASA (z.B. im Apollo Programm) für die direkte chemische Energieerzeugung durch Brennstoffzellen.

Die Zivile Nutzung der Brennstoffzelle wurde erst in den letzten Jahren interessant.




Wissenschaftler und Ingenieure entwickelten zu Beginn der 90er Jahre verschiedene neue Konzepte und Technologien, mit denen es gelang, die Leistungsfähigkeit kontinuierlich zu steigern und gleichzeitig die Kosten zu senken.
Inzwischen reichen die Einsatzmöglichkeiten von Fahrzeugantrieben, Hausheizungen und Großkraftwerken mit mehreren Megawatt Leistung, bis in den Bereich der Kleinstanwendungen wie Handys oder mobile Computer hinein.

Die Brennstoffzelle könnte die Welt der Energietechnik revolutionieren!


Brennstoffzellen sind sehr einfach aufgebaut. Die eigentliche Zelle besteht aus drei übereinander liegenden Schichten:

Die erste Schicht ist die Anode, die zweite ein Elektrolyt und die dritte Schichte bildet die Kathode. Anode und Kathode dienen als Katalysator. Die mittlere Schicht besteht aus einer Trägerstruktur, die den Elektrolyten in sich aufnimmt. Als Elektrolyten dienen in den verschiedenen Brennstoffzellentypen jeweils unterschiedliche Stoffe. Manche Elektrolyten sind flüssig, andere sind fest und haben eine Membran-Struktur.

Da eine einzelne Zelle nur eine sehr geringe Spannung erzeugt, werden je nach benötigter Spannung einzelne Zellen aufeinander gestapelt. Solch ein Stapel nennt sich 'Stack'.




Die Brennstoffzelle kehrt den Prozess der aus dem Schulunterricht bekannte Elektrolyse um. Erinnern wir uns: bei der Elektrolyse wird Wasser mit Hilfe elektrischer Energie in die gasförmigen Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.

Die Brennstoffzelle nimmt genau diese beiden Stoffe und verwandelt sie wieder in Wasser. Dabei wird theoretisch die Menge elektrischer Energie wieder abgegeben, die bei der Elektrolyse zur Spaltung notwendig war. In der Praxis führen verschiedene physikalisch-chemische Prozesse zu geringfügigen Verlusten.

Man kann also sagen, die elektrische Energie wird im Wasserstoff gespeichert. Mit dem Wasserstoff haben wir also ein Gas, in dem wir elektrische Energie speichern können, und mit der Brennstoffzelle produzieren wir daraus wieder elektrischen Strom. Die meisten Brennstoffzellen funktionieren mit Luft, so dass der Sauerstoff nicht gespeichert werden muß.

Es gibt verschiedene Brennstoffzellen-Typen , die sich in Aufbau und Funktionsweise unterscheiden. Exemplarisch soll anhand einer PEM-Brennstoffzelle das grundlegende Arbeitsprinzip beschrieben werden:

Befindet sich an der Anode Wasserstoff und an der Kathode Sauerstoff, läuft folgender Vorgang ab: Ein Wasserstoffmolekül wird unter Abgabe von Elektronen in zwei Wasserstoffatome gespalten. Die entstehendenen Wasserstoff-Ionen wandern durch den für sie durchlässigen Elektrolyten zur Kathode und oxidieren mit Sauerstoff zu Wasser. Damit Wasser entstehen kann, werden die Elektronen benötigt, die vorher an der Anode abgegeben wurden. Der Elektolyt stellt aber einen Isolator dar, durch den sich die Elektronen nicht bewegen können. Verbindet man nun die beiden Elektroden mit einem elektrischen Leiter, so wandern die Elektronen durch diesen von der Anode zur Kathode: es fließt ein nutzbarer, elektrischer Strom.



Dieser Prozess läuft kontinuierlich ab solange ausreichend Wasserstoff und Sauerstoff an Anode und Kathode zur Verfügung stehen.



Prinzipbild einer Zelle

Prinzipbild eines Stacks. Die Bipolarplatte (dunkelblau) trennt die einzelnen Zellen elektrisch voneinander. Ein Stack ist eine Reihenschaltung einzelner Zellen.


Prinzip der Elektrolyse



Prinzip der Brennstoffzelle














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