Brennstoffzelle

„Ich glaube, dass Wasser eines Tages als Brennstoff genutzt wird. Wasser, in seine Elemente Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt, wird zur unerschöpflichen Energiequelle werden.“
Jules Verne

Brennstoffzelle
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Treibhauseffekt		Elektrolyse

Zukunftstechnik Brennstoffzelle?

Bereits im Jahre 1839 wurde der Grundstein für die heutige Brennstoffzellentechnik gelegt. Doch die zivile Nutzung der Brennstoffzelle wurde erst in den letzten Jahren interessant, da sie hinsichtlich des Treibhauseffektes eine umweltfreundliche Alternative zur Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen wie Erdöl darstellt.

Vorteile der Brennstoffzelle

• Die Brennstoffzelle ist in Bezug auf CO₂ emissionsfrei.
• Wasserstoff als Brennstoff ist aus Wasser herstellbar, das unbegrenzt zur Verfügung steht.
• Als Endprodukt entsteht wiederum nur Wasser.
• Die Brennstoffzelle arbeitet geräuschlos.
• Es erfolgt eine direkte Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie, ohne Umwege über Wärme- und mechanische Energie.
• Die Brennstoffzelle unterliegt keinem mechanischen Verschleiß, da in der Zelle keine beweglichen Teile zum Einsatz kommen.
• Der elektrische Wirkungsgrad kann bis zu 60 % betragen.
• Die Brennstoffzelle benötigt keine Ladezeiten. Bei Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff liefert sie sofort eine Spannung.

Nachteil

• Wasserstoff als Brennstoff muss erst unter Energieaufwand erzeugt werden und ist damit kein auf der Erde vorhandener Primärenergieträger.

Aufbau und Funktion der PEM-Brennstoffzelle

PEM-Brennstoffzelle

Brennstoffzellen sind einfach aufgebaut, die eigentliche Zelle besteht aus drei übereinander liegenden Schichten: zwei gasführende Platten-Elektroden aus Platin und ein dazwischen liegender Feststoff-Elektrolyt, der Protonen-Austausch-Membran (PEM).

Das Platin als Elektrodenmaterial wirkt gleichzeitig als Katalysator und ermöglicht die folgenden elektrochemischen Vorgänge:

Anode/Minuspol

• Wasserstoff wird unter Abgabe von Elektronen in Wasserstoff-Ionen, also Protonen gespalten (Elektronenabgabe, Oxidation).
• Verbindet man die beiden Elektroden über einen elektrischen Verbraucher, so wandern die Elektronen durch diesen äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode: Es fließt ein nutzbarer, elektrischer Strom:
  2H₂ 4H⁺ + 4e^– (Elektronenabgabe, Oxidation)

Kathode/Pluspol

• Die über den äußeren Stromkreis zugeführten Elektronen reduzieren den Sauerstoff (Elektronenaufnahme, Reduktion), zeitgleich wandern die H⁺-Ionen durch die für sie durchlässige Membran zur Kathode, es bildet sich Wasser:
  4H⁺ + O₂ + 4e^– 2H₂O (Elektronenaufnahme, Reduktion)

Stacks

Da eine einzelne Zelle nur eine sehr geringe Spannung erzeugt, werden je nach benötigter Spannung einzelne Zellen in Reihe geschaltet, d. h. aufeinander gestapelt. Solch ein Stapel nennt sich "Stack". Die Gesamtspannung des Stacks ist die Summe der Teilspamnnungen der einzelnen Brennstoffzellen.

Stack

Modell Wasserstofftechnologie

Modellanlage Wasserstofftechnologie mit Brennstoffzelle
Skizze: Miriam de la Cruz, FOS-G

Die PEM-Brennstoffzelle ist das "Herzstück" unserer Modellanlage zur Veranschaulichung von Wasserstofftechnologie Raum E 26. Aufbau und Funktion findest Du auf der Herstellerseite von H-Tec eingehend erläutert. Bedienungsanleitung als PDF-Datei

Anwendungsbeispiele

Brennstoffzellen in der Fahrzeugtechnik

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 bishin zu Fahrzeugantrieben mit mehreren 100 kW Leistung.

Bus der Hamburger Hochbahn mit Brennstoffzellenantrieb.

• Brennstoffzelle: Prüfen und Instandsetzung (Fahrzeugtechnik)

Weitere Informationen als PDF-Dateien zum Download:

• CITARO mit Brennstoffzellenantrieb
• Daten u. Fakten zum CITARO-Bus
• Technische Daten der Tankstelle
• Allgemeines zur Tankstelle
• "Grünstrom"-Zertifikat

Brennstoffzellen-Heizgerät der Fa. Vaillant

Brennstoffzellen in der Haustechnik

Die Firma Vaillant hat ein Brennstoffzellen-Heizgerät (BZH) entwickelt, das bis zu 50% weniger CO₂ erzeugt und etwa 25% weniger Primärenergie benötigt, um im Vergleich zu heutiger Technik die gleiche Menge an Heizwärme und elektrischem Strom in einem Mehrfamilienhaus bereitzustellen. Ein wichtiger Beitrag zum Klimaschutz bei wirtschaftlicher Verwendung wertvoller Ressourcen.

Alkalische Brennstoffzelle

Referat über die alkalische Brennstoffzelle (AFC - alkaline fuel cell):

• Alkalische Brennstoffzelle (PDF-Datei, 6 MB)

Arbeitsblatt zum Thema Brennstoffzelle

Hier kannst Du das Arbeitsblatt zum Thema Brennstoffzelle herunterladen:

• Arbeitsblatt Brennstoffzelle als PDF-Datei
  
  

     
• Arbeitsblatt Brennstoffzelle als Word-Datei
  
  

     

Im Chemiebuch ...
findest Du weitere Informationen zum Thema Brennstoffzelle:
Chemie FOS-T     auf Seite -	Chemie heute     auf Seite 164	Elemente Chemie     auf Seite 273

Weblinks

• Brennstoffzelle als Google-Suchbegriff
• Brennstoffzelle in der Wikipedia
• Brennstoffzelle hier in bs-wiki.de mit Google
• Brennstoffzelle als Youtube-Video
• Prof. Rüdiger Blumes umfangreiche Themenseite mit Experimenten und weitergehenden Infos
• www.pemfc.de
• www.diebrennstoffzelle.de.
• Vaillant Brennstoffzellen-Heizgerät
• Fa. H-Tec: umfangreiches Infomaterial mit OHP-Folien
• www.enviam.de - Animierte Darstellung des Funktionsprinzips
• Versuchsanleitungen der Fa. Conatex zum Thema Brennstoffzelle als PDF-Datei zum Download