Brenstoffzelle



Referat " BRENNSTOFFZELLE "

Der Erfinder:

Sir William Robert Grove entdeckte 1839 die prinzipielle Arbeitsweise der heutigen Brennstoffzelle. In seiner sogenannten "GASKETTE", eine Kombination von Wasserstoff - und Sauerstoffumsp├╝lten Platinenelektronen in Schwefels├Ąure, erzeugte er eine elektrische Spannung von etwa einem Volt. Das Hauptproblem bei dieser Konstruktion war die mangelnde Stabilit├Ąt der verwendeten Werkstoff. Als dann Werner von Siemens den Drehstrohmgenerator entwickelte, fiel die Brennstoffzelle komplett in den Hintergrund. Als man daraufhin in den 60er Jahren aus milit├Ąrischem Zweck und f├╝r die Raumfahrt auf die Brennstoffzelle zur├╝ckgriff, weil man auf geringe Gr├Â├če und Gewicht, anstatt auf den Preis geachtet hat. Heutzutage wird international an der Entwicklung der Brennstoffzelle gearbeitet. Die Brennstoffzelle erlebt momentan sozusagen eine Renaissance.


Aufbau und Funktion


Brennstoffzellen kommen ohne Turbinen und Generatoren aus. Sie wandeln chemische Energie auf direktem Weg in elektrische Energie um.
Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden und dem Elektrolyten. Die Anode wird mit dem Brennstaoff (z.B. Wasserstoff) und die Kathode mit dem Oxidationsmittel (Sauerstoff) versorgt, der Elektrolyt verbindet die beiden Elektroden miteinander. An der Anode (Minuspol) wird der Brennstoff oxidiert. Die dabei abgegebenen Elektronen flie├čen ├╝ber den ├Ąu├čeren Stromkreis zur Kathode (Pluspol). Hier wird das Oxidationsmittel durch Elektronenaufnahme reduziert. Durch den Elektronenzufluss kann im ├äu├čeren Stromkreis Arbeit verrichtet werden. Der Ladungstransport in der Brennstoffzelle wird durch die Ionenbewegung im Elektrolyten realisiert. Eine Brennstoffzelle liefert also wie eine Batterie oder ein Akkumulator elektrische Energie. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass bei der Brennstoffzelle die Elektroden selbst nicht chemisch umgewandelt werden. Bei st├Ąndiger Brennstoffzufuhr kann kontinuierlich elektrische Energie entnommen werden. Eine einzelne Zelle liefert eine Gleichspannung von weniger als 1 Volt. Will man technisch nutzbare Spannung erzielen, schaltet man zahlreiche Einzelzellen in Serie. Aus Einzelzellen werden sogenannte Zellenstapel (Stacks) sandwichartig aufgebaut. Technisch erreichen solche Stacks Spannungen bis etwa 200 Volt.

Brennstoffzellen - Blockheizkraftwerke:

Die Kraft - W├Ąrme - Kopplung, die gleichzeitige Bereitstellung von Strom und W├Ąrme, ist in Form von Blockheizkraftwerken bereits ein stetig wachsender Markt. Der Leistungsbereich reicht hier von einigen kW zur Versorgung von Wohneinheiten bis zu mehreren MW f├╝r beispielsweise Krankenh├Ąuser. Brennstoffzellen werden mit PAFC - Brennstoffzellen betrieben. Sie werden mit Erdgas betrieben und erzeugen bis zu
200 kW W├Ąrmeleistung. Der elektrische Wirkungsgrad betr├Ągt 40% und der thermische Wirkungsgrad betr├Ągt bis zu 45%, so dass die Energie zu 85% ausgenutzt wird. Die wesentlichen Systemkomponenten f├╝r ein PAFC - Blockheizkraftwerke sind: Reformer mit Konverter, Brennstoffzelle, W├Ąrmetauscher und Wechselrichter. Im Reformer wird das vorgereinigte Erdgas mit ├╝berhitztem Wasserdampf vermischt und katalytisch bei etwa 800┬░C zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgesetzt. Das Kohlenmonoxid reagiert dann im Konverter an einem Katalysator bei etwa 250┬░C mit Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlendioxid. Dieses Proze├čgas wird kontinuierlich der Brennstoffzelle zugef├╝hrt.
Die Phosphors├Ąure - Brennstoffzellen haben bereits einen hohen Entwicklungsstand erreicht. Ziel ist es, die hohen Kosten von derzeit 5000DM auf 2000DM zu senken, um die Wirtschaftlichkeitsgrenze zu erreichen.

Die Verschiedene Typen:

Alkalische Brennstoffzelle -> wird besonders im Weltraum eingesetzt, Sauerstoff und Wasserstoff werden in Tanks fl├╝ssig mitgef├╝hrt. Es hat nur 1/10 von dem Gewicht das Batterien haben.
Polymerelektrolytmembram Brennstoffzelle -> diese Brennstoffzelle wird h├Ąufig bei Automobilen eingesetzt. Sie hat die zwei - bis dreifache Effizienz gegen├╝ber herk├Âmmlichen Verbrennungsmotoren.
Karbonatschmelze Brennstoffzelle -> sie hat einen sehr hohen Wirkungsgrad von 50% bis 60%. Sie ist allerdings sehr teuer.
Oxidkeramische Brennstoffzelle -> sie hat niedrige Systemkosten.
Direktmethanol Brennstoffzelle -> sie ist die absolut neuste Brennstoffzelle und wird f├╝r den mobilen Einsatz ben├Âtigt.

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Brennstoffzellen f├╝r die Automobilindustrie:

Die Brennstoffzelle ist eine alternative Antriebsart f├╝r das Auto. Mit der Brennstoffzelle k├Ânnen anstatt Verbrennungsmotoren Elektromotoren Verwendet werden. BMW hat unter anderen schon ein Auto mit Brennstoffzelle zum testen entwickelt. Das Auto hat einen Tank der 140 Liter fast und dieser reicht f├╝r 400 Kilometer. Das Problem mit dem Platz f├╝r die 140 Liter l├Âst BMW so, dass sie das Gas extrem k├╝hlen und dadurch verfl├╝ssigen. Dadurch muss der Tank sehr gut isoliert sein, damit die extreme Temperatur von - 253 ┬░C nicht ├╝berstiegen wird. Der Tank besteht aus 70 lagen Aluminiumfolie im Wechsel mit Glasfiebermatten. Aber jedoch die beste Isolierschicht kann verursachen dass siech der Tankinhalt am Tag um 1┬░C erw├Ąrmt. Also muss das Auto regelm├Ą├čig gefahren werden, den der Wasserstoffverbrauch senkt den Druck.
Mercedes hat ebenfalls ein Testauto entwickelt, dass technisch weiter ist. Das Auto "NECAR II" wird nicht mit fl├╝ssigem Wasserstoff sondern mit komprimiertem Gas betankt. Die Experten der Automobilbauer sind der Meinung, dass die Brennstoffautos schwer im kommen sind, da die Autos Strom und Wasser produzieren. Jedoch keine Schadstoffe. Das Prinzip ist schon l├Ąnger bekannt als das des Verbrennungsmotors. Jedoch immer noch wesentlich teurer. Im "Necar II" kommen
300 Brennstoffzellen zum Einsatz. Eine solche Zelle liefert 0,6 Volt. Somit liefern alle 300 Zellen eine Leistung von 33 kW. In Autos werden die PEM - Brennstoffzellen verwendet. Diese ist folgenderma├čen aufgebaut: Eine Protonenleitende Folie aus Kunststoff, die als Elektrolyt dient. Graphitpapier, das als Elektrode dient und Platin, als Katalysatorersatz.


Vor - und Nachteile:

Nachteile:
    Kosten von derzeit 10 000 DM/kW sollten auf
50 - 200 DM/kW.
    Das Gewicht und Volumen der Brennstoffzelleneinheit sollte reduziert werden. Die Infrastruktur sollte ausgebaut werden (Tankstellen) Das Auto sollte Akzeptiert werden.

Vorteile:
    Keine sch├Ądlichen Abgas Eigenproduzierend

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