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Die Brennstoffzelle und ihre Bedeutung in verschiedenen Anwendungsgebieten

Ausarbeitung 2017 19 Seiten

Elektrotechnik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Die Brennstoffzelle
2.1 Das Prinzip
2.2 Aufbau
2.3 Funktionsweise

3 Wasserstoffwirtschaft

4 Anwendung im stationären Bereich
4.1 Die Brennstoffzellenheizung

5 Anwendungen im mobilen Bereich

5.1 Das Brennstoffzellenfahrzeug

5.2 Raumfahrt und Unterwasser-Anwendungen

6 Portabler Einsatz

7 Fazit und Ausblick

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abstract

In dieser Hausarbeit über das Thema „Die Brennstoffzelle und ihre Bedeutung in verschiedenen Anwendungsgebieten“ wird die Brennstoffzelle als Chance für klimaneutrale Energieversorgung betrachtet. Dabei soll anhand verschiedener Anwendungsgebiete verdeutlicht werden, welche Bedeutung die Brennstoffzelle momentan als Energiewandler hat. Außerdem soll gezeigt werden ob zukünftig Entwicklungen zu erwarten sind und wie diese aussehen könnten. All dies geschieht in Anbetracht der Vor- und Nachteile gegenüber herkömmlichen Technologien.

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

In Zeiten des immer weiterwachsenden Energieverbrauchs und der enormen Abhängigkeit von Energie gewinnen regenerative Energiequellen eine immer größere Bedeutung. Die Folgen der, aus herkömmlichen Energiequellen resultierenden, Umweltschäden sind bereits heute spürbar.

Abb. 1 Globaler Temperaturanstieg

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: NASA (https://data.giss.nasa.gov/gistemp/graphs/)

Messungen über viele Jahre hinweg, wie die der NASA, bestätigen einen rasanten Anstieg der Oberflächen- und Wassertemperatur. Besonders stark ist der Anstieg der letzten 4 Jahre s. Abb. 1.

Die Arten der Energiegewinnung müssen sich im Hinblick auf die Zukunft stark verändern. Viele Konzepte der umweltfreundlichen Energiegewinnung sind bereits umsetzbar oder werden noch entwickelt. Die Brennstoffzelle ist hierbei ein möglicher Lösungsansatz um direkt Energie aus klimaneutral gewonnen Energieträgern wie beispielsweise Wasserstoff bereitzustellen, sodass ein Verzicht auf fossile Brennstoffe möglich wird. Im Folgenden wird die Brennstoffzelle, im Hinblick auf ihre momentane und zukünftige Bedeutung in verschiedenen Anwendungsgebieten, betrachtet.

2 Die Brennstoffzelle

2.1 Das Prinzip

Die Gewinnung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern erfolgt heute zumeist durch Verbrennung in einer Wärmekraftmaschine in Verbindung mit einem Generator über den Umweg der thermischen und der Bewegungsenergie.

Abb. 2 Energieumwandlung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: powerpac.ethz.ch (http://www.powerpac.ethz.ch/technologie/index.htm)

Die Brennstoffzelle ist geeignet, die Umformung ohne Umweg zu erreichen und damit potenziell effizienter zu sein, weil Verluste wie bei der mechanischen Reibung nicht auftreten. Zudem sind Brennstoffzellen im Vergleich zum System „Wärmekraftmaschine-Generator“ einfacher aufgebaut und können zuverlässiger und abnutzungsfester als diese sein.

Besonders vielversprechend ist dabei die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Wasserstoff kommt in der Natur fast nur in gebundener Form vor und muss daher erst erzeugt werden. Seine Herstellung ist auf Basis der Sonnenenergie möglich bzw. durch Elektrolyse aus Wasser, wobei keine schädlichen Nebenprodukte entstehen.[1]

2.2 Aufbau

Eine Brennstoffzelle besteht aus Elektroden, die durch eine Membran oder Elektrolyt (Ionenleiter) voneinander getrennt sind. Die Anode ist mit dem Brennstoff umspült, z.B. Wasserstoff, Methan, Methanol oder Glukoselösung, der dort oxidiert wird. Die Kathode ist mit dem Oxidationsmittel umspült, z.B. Sauerstoff, Wasserstoffperoxid oder Kaliumthiocyanat, das dort reduziert wird.[2]

Die verwendeten Materialien sind je nach Brennstoffzellentyp unterschiedlich. Die Elektrodenplatten bestehen meist aus Metall oder Kohlenstoffnanoröhren. Zur besseren Katalyse sind sie mit einem Katalysator beschichtet, z.B. Platin oder Palladium. Als Elektrolyten können beispielsweise gelöste Laugen oder Säuren, Keramiken oder Membrane dienen.

„Die gelieferte Spannung liegt theoretisch bei 1,23 Volt für die Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle bei einer Temperatur von 25 °C. In der Praxis werden jedoch nur Spannungen von 0,5 bis 1 erreicht.“[3] Die Spannung ist vom Brennstoff, von der Qualität der Zelle und von der Temperatur abhängig. Um eine höhere Spannung zu erhalten, werden mehrere Zellen zu einem Stack (engl. für 'Stapel') in Reihe geschaltet. Unter Last bewirken die chemischen und elektrischen Prozesse ein Absinken der Spannung.[4]

2.3 Funktionsweise

Abb. 3 Schematische Darstellung der Funktionsweise

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Wikimedia (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a2/Brennstoffzelle_funktionsprinzip.png)

Der Brennstoff, hier Wasserstoff, wird an der Anode katalytisch oxidiert und dabei unter Abgabe von Elektronen in Ionen umgewandelt. Diese gelangen durch die Ionen-Austausch-Membran in die Kammer mit dem Oxidationsmittel. Die Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher, zum Beispiel eine Glühlampe, zur Kathode. An der Kathode wird das Oxidationsmittel, hier Sauerstoff, durch Aufnahme der Elektronen zu Anionen reduziert und reagiert gleichzeitig mit ,den durch den Elektrolyt zur Kathode gewanderten, Protonen zu Wasser. Die Reaktionsprodukte sind also Wasser, elektrischer Strom und thermische Abwärme.[5]

3 Wasserstoffwirtschaft

Die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle ist ökologisch umstritten: Wasserstoff kann zwar durch Einsatz erneuerbarer Energien klimaneutral gewonnen werden, jedoch sind die Verluste bei Herstellung und Transport erheblich. So hat etwa die Kette Solarstrom → Wasserstoff → Brennstoffzellen-PKW einen Wirkungsgrad von etwa 20%, die Kette Solarstrom → Stromnetz → Batterie → Elektro-PKW hingegen etwa 60%.

Zudem stellt die Infrastruktur für Lagerung und Transport von Wasserstoff eine hohe technische, organisatorische und ökonomische Herausforderung dar. Die Wasserstofftanks haben entweder mehrere hundert bar Druck oder sehr tiefe Temperaturen für den flüssigen Zustand. Die Forschung über geschlossene, nachhaltige Energiekreisläufe wird mit öffentlichen Geldern unterstützt.

Am 12. September 2005 verabschiedete das Europäische Parlament das Wasserstoffmanifest, worin eine grüne Wasserstoffwirtschaft in kürzest möglicher Zeit gefordert wird. Europa könne damit die Energiepreise für Strom, Wärme und Verkehr deutlich reduzieren und wäre energieautark, also nicht abhängig von den Lieferanten fossiler Rohstoffe.[6]

[...]


[1] Vgl. Cornel Stan, Alternative Antriebe für Automobile, S.237

[2] Vgl. Jochen Lehmann, Thomas Luschtinetz, Wasserstoff und Brennstoffzellen, S. 25

[3] Vgl. o. V., Aufbau der Brennstoffzelle

[4] Vgl. Peter Kurzweil, Brennstoffzellentechnik, S. 3

[5] Vgl. Jochen Lehmann, Thomas Luschtinetz, Wasserstoff und Brennstoffzellen, S. 30

[6] Vgl. o. V. Energiewirtschaft

Details

Seiten
19
Jahr
2017
ISBN (eBook)
9783668491915
ISBN (Buch)
9783668491922
Dateigröße
1 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v371288
Note
Schlagworte
brennstoffzelle bedeutung anwendungsgebieten

Autor

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