Die
Brennstoffzelle
Kapitel 1 : Definition der Brennstoffzelle
Kapitel 2 : Die Geschichte der Brennstoffzelle
Kapitel 3 : Die Arten der Brennstoffzelle
Kapitel 4 : Die Funktionsweise der Brennstoffzelle
Abb1.:
Folien-Brennstoffzellen-Stack FBZ 50
Definition der
Brennstoffzelle
Eine
Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, die die Reaktionsenergie eines
kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in nutzbare
elektrische Energie umwandelt. In Brennstoffzellen entstehen keine komplexen
Abgase sondern nur einfache Reaktionsprodukte wie Wasser, Kohlendioxid und
geringe Mengen anderer Gase. Aufgrund ihrer niedrigen Reaktionstemperaturen
bilden sich auch keine Stickoxide. Brennstoffzellen arbeiten sauber und leise
und verfügen über einen hohen Wirkungsgrad. So nutzt die
Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle etwa 50-60% der im Treibstoff enthaltenen Energie
(zum Vergleich: Ottomotor 15-20%, Stirlingmotor 35-40%).
Die Geschichte der Brennstoffzelle
Vor über 160
Jahren begann die Entwicklung der BZ - Technik. Professor Christian Friedrich
Schönbein (1799 - 1868) von der Universität Basel fand 1838 experimentell
heraus, dass Elektrizität freigesetzt werden kann wenn Wasserstoff mit
Sauerstoff reagiert.
Abb2.:
Christian Friedrich Schönbein (1799 bis 1868)
Der walisische
Richter Sir William R. Grove (1811 bis 1896), ein Freund Schönbeins, erfuhr von
diesem Effekt 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 nach hinein gilt er als der
Erfinder der Brennstoffzelle.
Abb3.: Sir
William R. Grove (1811 bis 1896)
Die Arten der
Brennstoffzelle
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Arten der
Brennstoffzellen |
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Elektrolyt |
Betriebstemperatur |
Charakteristika |
Anwendungen |
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Kalilauge |
60 - 120 °C |
Hoher energetischer Wirkungsgrad, Unverträglichkeit gegenüber
CO2 |
Weltraum, Fahrzeuge |
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Polymerelektrolyt |
60 - 100 °C |
Hohe
Leistungsdichten. Unverträglichkeit gegenüber CO (<
100ppm) |
Fahrzeuge |
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Phosphorsäure |
160 - 200 °C |
Limitierter
energetischer Wirkungsgrad, Unverträglichkeit gegenüber CO (< 1,5 Vol.%) |
BHKW's |
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Karbonatschmelzen |
500 - 650°C |
Komplexe Peripherie, Korrosionsprobleme |
BHKW's, industrielle KWK - Anlagen |
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Keramische Schichten |
800 - 1000 °C |
Hoher Systemwirkungsgrad,Absenkung der Betriebstemperatur
erforderlich |
Mini BHKW's,BHKW's,Kombi-Kraftwerke mit Gasturbine |
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Polymerelektrolyt |
60 - 120 °C |
Hoher Systemwirkungsgrad, Unverträglichkeit gegenüber den
Oxidationsprodukten anodenseitig |
Fahrzeuge |
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Die
Funktionsweise der PEFC (PEM) Brennstoffzelle
Die
Funktionsweise einer Brennstoffzelle kann mit einem Satz umschrieben werden:
Sie kehrt die Elektrolyse um.
Bei der
Elektrolyse handelt es sich um die Auftrennung (Spaltung) von Wasser mit Hilfe
von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff. Wird dieser Vorgang
umgekehrt, entstehen demnach bei der Vereinigung von Wasserstoff und Sauerstoff
elektrischer Strom und Wasser.
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. Man spricht bei diesem Vorgang vielmehr von der
'kalten Verbrennung'.
Abb4.:
Funktionsweise einer Brennstoffzelle
Das Herz einer
PEM - Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, der Anode (Pluspol) und der
Kathode (Minuspol), die durch eine Ionen - durchlässige Polymer - Membran
getrennt sind. Dieser Elektrolyt ist ca. 0,1 mm dick und ähnelt einer Folie für
Overhead-Projektoren. Diese Membran muss gasdicht sein, damit Wasserstoff und
Sauerstoff nicht direkt miteinander reagieren können. Für Elektronen darf sie
auch nicht passierbar sein, sie muss also elektrisch isolierend wirken. Sie
muss jedoch protonen-durchlässig sein, das heißt Wasserstoff-Ionen dürfen
passieren. Als Elektrolyt-Material kommen egal für welche Brennstoffzellen-Art
nur wenige Materialien in Frage. Im Niedertemperatur-Bereich gibt es einige
wenige Säuren oder Basen, die einsetzbar sind, und im Hochtemperatur-Bereich
gibt es Oxid-Keramiken und Karbonate.
Die Elektroden müssen eine hohe Porosität aufweisen, damit eine große
Oberfläche für die elektrochemischen Umsetzungen zur Verfügung steht. Sie
werden mit einer dünnen, katalytisch wirkenden Edelmetall-Schicht überzogen.
Als Katalysatoren-Materialien werden meist Platin oder Platin-Legierungen
verwendet, da die Membran stark sauren Charakter aufweist (vergleichbar mit
Schwefelsäure) und niederwertige Metalle angreifen würde. Der Kraftstoff wird
durch Graphitplatten (Bipolar - Platten) zugeführt, in die feine Gänge gefräst
sind. Durch diese Gänge wird auf der einen Seite Wasserstoff und auf einer
anderen Seite Luft bzw. Sauerstoff zugeführt (s. Abb. 5). Auf der Anoden-Seite
muss die Membran befeuchtet und auf der Kathoden-Seite muss das
Reaktionsprodukt Wasser entfernt werden. Gleichzeitig muss die Wärme aus dem
Stapel abgeführt und soweit möglich nutzbar gemacht werden.
Der an der Anode zugeführte Wasserstoff teilt sich mit Hilfe des Katalysators
in Elektronen (negative Ladungsträger) und Protonen (positive
Wasserstoff-Ionen). Die freien Elektronen werden als elektrischer Strom durch
die Elektrode in den äußeren Strom-Kreislauf geleitet. Die Protonen
diffundieren durch die Elektrolyt-Membran zur Kathode. Obwohl die Protonen
größer sind als die Elektronen, gelangen keine Elektronen durch diese Membran.
Dies kommt durch den Säuregrad des Elektrolyten. Es hat damit chemische Gründe
und ist unabhängig von den Größen-Verhältnissen. Die negativ geladenen
Elektrolyt-Ionen leiten das Proton weiter, wobei die Ionen selber ortsfest
bleiben. Die negativen Elektronen hingegen werden abgestoßen und müssen den
langen Weg außen herum nehmen. Auf der anderen Seite an der Kathode
rekombinieren die Sauerstoff-Ionen aus der Luft, die Elektronen aus dem
Strom-Kreislauf sowie die H2-Protonen und erzeugen unter Wärme-Entwicklung
Wasser
Abb5.:
Betrachtung der Funktionsweise
Zwischen
Kathode und Anode besteht somit eine Spannungsdifferenz
(Potential-Unterschied). Schaltet man einen Verbraucher (z. B. einen
Elektromotor) in den äußeren Stromkreis zwischen die beide Elektroden, wird
dieser angetrieben. Die erzeugte Reaktionswärme wird u.a. für die Beheizung der
Brennstoffzelle oder weiterer Nebenaggregate genutzt.
Negative
Elektrode: 2 H2--> 4 H+ + 4 e-
Positive
Elektrode: O2 + 4 e- + 4 H+ --> 2 H2O
Gesamtreaktion:
2 H2 + O2 --> 2 H2O + Elektrizität + Wärme
Einer PEM-Brennstoffzelle
kann direkt Wasserstoff als Kraftstoff zugeführt werden. Werden andere
Kraftstoffe wie etwa Erdgas, Kohlegas, Klärgas, Biogas oder Methanol gewählt,
muss ein Reformer mit Entschwefelungseinrichtung vorgeschaltet werden, wodurch
der Gesamt-Wirkungsgrad jedoch sinkt.
Die PEM-Brennstoffzelle kann bei relativ niedrigen Temperaturen (max. 100 °C)
betrieben werden. Sie gehört damit zu den Niedertemperatur-Brennstoffzellen.
Höhere Temperaturen wären lediglich bei Druckbetrieb möglich, da für die Ionenleitung
die Anwesenheit von Wasser notwendig ist. Ohne eine Druckerhöhung siedet Wasser
jedoch bei 100 °C. Damit bei diesem Temperaturniveau eine ausreichend hohe
Reaktionsgeschwindigkeit sichergestellt werden kann, sind die bereits erwähnten
Katalysatoren notwendig. Katalysatoren können chemische Reaktionen ermöglichen
bzw. beschleunigen, nehmen selber aber nicht an der Reaktion teil. Sie werden
folglich nicht verbraucht oder abgenutzt. Auf der Kathoden-Seite kommt es
jedoch durch den anwesenden Sauerstoff zu Oxidationserscheinungen, wodurch die
Lebensdauer negativ beeinflusst wird.
Im Gegensatz
zu Hochtemperatur - BSZ sind Niedertemperatur - BSZ sehr flexibel und können
relativ schnell an- und abgeschaltet werden. Die Betriebstemperatur wird nach
kurzer Zeit erreicht, da die eigene Abwärme das System rasch aufheizt. Wird der
Laststrom geändert, so folgt die Brennstoffzellen-Spannung sehr schnell (0,1
Sek.) der Laständerung. Aufgrund dieses guten Lastwechsel-Verhaltens und des
hohen Wirkungsgrades im Teillastbetrieb sind
Niedertemperatur-Brennstoffzellensysteme in besonderem Maße für den Einsatz bei
Kraftfahrzeugen geeignet.
Die in PEM-BSZ
verwendeten Katalysatoren benötigen eine relativ hohe Brenngas-Reinheit.
Hochtemperatur-Brennstoffzellen können einen gewissen Prozentsatz
Verunreinigungen vertragen. Bei Niedertemperatur-Brennstoffzellen wird jedoch
Kohlenstoff-Monoxid nur in sehr geringen Mengen toleriert, da es als so
genanntes Katalysatorgift wirkt. Die Toleranzgrenze liegt bei etwa 10 bis 100
ppm (zehn bis 100 CO-Teilchen pro eine Million Wasserstoff-Teilchen). Die
Empfindlichkeit von PEM-BSZ gegen CO beruht auf der Blockierung der
Platinbelegung der Anode. Dadurch sinkt die Reaktionsgeschwindigkeit und somit
die Zellspannung. Das hat wiederum zur Folge, dass der elektrische Wirkungsgrad
der Brennstoffzelle sinkt. Der Effekt ist vergleichbar mit dem Einatmen von CO
beim Menschen. Die CO-Moleküle lagern sich an den roten Blutkörperchen
(Platin-Molekülen) an und behindern so die Reaktion mit Sauerstoff (Wasserstoff).
Die
Endprodukte der elektrochemischen Vorgänge in einer Brennstoffzelle sind
Gleichstrom sowie Wasser bzw. Wasserdampf. Jede einzelne Brennstoffzelle
erzeugt je nach Bauart unter Last ca. 0,7 V, die maximale Spannung liegt etwa
bei 1,2 V (entspricht einer Leistung von ca. 100 W). Erst viele in Reihe
geschaltete Zellen, die gemeinsam als 'Stacks' bezeichnet werden, liefern eine
ausreichend hohe Leistung für den Betrieb. Ein Stack kann bis zu 200 dicht
aneinander liegende Brennstoffzellen enthalten.