Brennstoffzelle
Eine Brennstoffzelle ist ein galvanisches Element - d.h. sie wandelt chemische Energie direkt in elektrische Energie um. Dies geschieht in einer chemischen Reaktion, – der umgekehrten Elektrolyse – bei der Wasserstoff und Sauerstoff mit einander verbunden werden. Der brennbare Wasserstoff wird oxidiert, und es kommt zu einer „kalten Verbrennung“. Als Produkte dieser Reaktion entstehen Wasser oder Wasserdampf, Wärme und elektrischer Gleichstrom. Somit produziert eine Brennstoffzelle keine Schadstoffe und stellt eine sehr umweltfreundliche Form der Energieerzeugung dar.
Wenn es sich um eine Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff handelt, denken viele an die Knall-Gasreaktion, die man aus dem schulischen Chemie-Unterricht kennt. Die Voraussetzung für den Knall ist allerdings zum einen das richtige Verhältnis zwischen den beiden Stoffmengen, zum anderen darf der Sauerstoff nicht mit anderen Elementen vermischt sein. Außerdem braucht man eine Zündquelle. Der in einer Brennstoffzelle zum Einsatz kommende Sauerstoff wird jedoch meistens der Luft entnommen und liegt somit nicht in seiner reinen Form vor. Auch wird hier nichts angezündet, sondern der Brennstoff wird lediglich oxidiert. Demzufolge ist eine Knallgasreaktion in einer Brennstoffzelle ausgeschlossen.
Charakteristisch für die Brennstoffzelle ist, dass sie ein Energiewandler und kein Energiespeicher ist. Ihre wichtigsten Bestandteile sind zwei entgegengesetzt geladene Elektroden (Anode und Kathode), die durch einen nicht elektrisch leitenden Elektrolyten voneinander getrennt sind. Über die Elektroden müssen kontinuierlich die für die Oxidation erforderlichen Stoffe zugeführt werden. Der Sauerstoff wird dabei immer der Kathode und der Wasserstoff der Anode zugeführt. Anstelle von Wasserstoff können in einer Brennstoffzelle auch Methanol oder ErdgasErdgas ist ein brennbares Gasgemisch, farb- und geruchlos. Sein Hauptbestandteil ist Methan, weitere Komponenten können variieren. Erdgas ist ein fossiler Energieträger und entsteht auf ähnliche Weise wie Erdöl in unterirdischen Lägerstätten. Es wird haupsächlich als Brennstoff zum Heizen oder zur Stromerzeugung verwendet. verwendet werden. Werden die Elektroden mit einem elektrischen Leiter verbunden, so ergibt die Bewegung der freigesetzten Elektronen den elektrischen Strom. Als Nebenprodukt dieser Reaktion entsteht Wärme, die zu Heizungszwecken genutzt werden kann. Die Eigenschaften einer Brennstoffzelle - insbesondere ihr WirkungsgradVerhältnis zwischen Eins und Ertrag (nutzbare zu aufgewendeter Energie). Man unterscheidet - Feuerungswirkungsgrad - Normnutzungsgrad - Jahresnutzungsgrad - Leistungszahl Wirkungsgrad bei Wärmepumpen: punktuell bestimmtes Maß für die tatsächlich aufgewendete Energie. Meist geschieht dies im optimalen Betriebszustand und daher liegt der Wirkungsgrad normalerweise über dem Nutzungsgrad. – hängen im Wesentlichen von der Art des eingesetzten Elektrolyten ab. Nach diesem Kriterium erfolgt auch die Unterscheidung der einzelnen Brennstoffzellenarten. Folgende Ausprägungen sind heute am häufigsten verbreitet: Alkalische Brennstoffzelle, Membran-Brennstoffzelle, Phosphorsäure-, Schmelzkarbonat- und Festoxidbrennstoffzelle.
Die Spannung, die von einer Brennstoffzelle produziert wird, beträgt zwischen 0,6 und 0,8 V. Um höhere Werte zu erhalten, müssen mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet werden. Im Vergleich zu den heute verbreiteten Wärmekraftmaschinen, die chemische Energie durch Verbrennung in elektrische Energie umwandeln, zeichnen sich die Brennstoffzellen durch ihre höhere Effizienz aus. In einer Wärmekraftmaschine erfolgt die Energieumwandlung in zwei Schritten – zuerst wird die chemische Energie zur Wärme und anschließend zum elektrischen Strom. Eine Brennstoffzelle gewinnt die elektrische Energie dagegen auf direktem Weg, wodurch ihre Energieverluste deutlich reduziert werden. Sie unterliegt nicht dem Carnot-Gesetz und kann Wirkungsgrade zwischen 35 und 60% aufweisen.
Vor- und Nachteile einer Brennstoffzelle
Brennstoffzellen haben viele Vorteile. Sie sind äußerst umweltfreundlich, denn als Produkt der elektrochemischen Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff entsteht neben Strom und Wärme nur reines Wasser. Diese Tatsache macht sie zu einem besonders interessanten Energielieferant mit Zukunft. Auch die zu ihrer Herstellung verwendeten Materialien belasten nicht die Umwelt und können über die Lebensdauer der Brennstoffzelle hinaus weiter verwendet werden. Außerdem ist diese Technik sehr leise, da Brennstoffzellen ohne bewegliche Komponenten auskommen. Auch die hohe Effizienz zählt zu den unmittelbaren Vorteilen dieser Geräte. Kombiniert man eine Brennstoffzelle mit einer nachgeschalteten Dampfturbine, ist ein WirkungsgradVerhältnis zwischen Eins und Ertrag (nutzbare zu aufgewendeter Energie). Man unterscheidet - Feuerungswirkungsgrad - Normnutzungsgrad - Jahresnutzungsgrad - Leistungszahl Wirkungsgrad bei Wärmepumpen: punktuell bestimmtes Maß für die tatsächlich aufgewendete Energie. Meist geschieht dies im optimalen Betriebszustand und daher liegt der Wirkungsgrad normalerweise über dem Nutzungsgrad. von 65% möglich, während in Kohlekraftwerken nur 40% erreicht werden. Die sehr hohen Sicherheitsstandards schließen die Gefahr einer Explosion, die oft mit Wasserstoff verbunden wird, aus. Zu den Nachteilen zählen vor allem die hohen Kosten, denn für den Katalysator zur Spaltung der Moleküle ist ein Edelmetall (z.B. Platin)erforderlich. Problematisch könnte auch die Herstellung des Wasserstoffs sein, wenn dieser unter Verwendung fossiler Brennstoffe gewonnen wird – dies würde nur eine Verlagerung der Umweltbelastung bedeuten und der Zweck der Brennstoffzelle wäre verfehlt.
Quellen:
http://www.hydrogeit.de/brennstoffzelle.htm
http://de.wikipedia.org/wiki/Brennstoffzelle