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Brennstoffzellen - Referat
Energieträger Wasserstoff
Einleitung: Brennstoffzelle (BZ)= galvanische Zelle
nutzt chem. Reaktionsenergie eines Brennstoffes + Oxidationsmittel → elektr. Energie
BZ ist kein Energiespeicher, sondern Wandler
Kombi von BZ mit Elektromotor hat höheren Wirkungsgrad als Otto- oder Dieselmotoren → warum nicht nur diese Kombi genutzt?
BSP: aber: Aufwand zur Herstellung, Speicherung Energie!
Wasserstoff = Energieträger der Zukunft
Grund: fossile Brennstoffe iwann aufgebraucht: Bsp. Erdöl reicht 42 J.
Problem bei foss. B: umweltschädliche Abgase, Treibhauseffekt
→ Überlegung Änderung: mit Sonnen-,Wasser-,Windenergie = regenerative E.→ Kohle,Erdöl,Erdgas ersetzten als Brennstoffe
andere Alternative: Kernenergie, aber radioaktive Abfälle, Unfälle
bei Elekrolyse: Wasserstoff aus Wasser abgespalten; → verbrannt → Kraft oder Strom → Nutzung vielseitig
Wasserstoff nur E.träger, keine E.quelle
Vorteil: kein klimaschädigendes Abgas beim Verbrennen, „saubere E.“
Wasser, aus dem man Wasserstoff gewinnt= reichlich da + = Abfallprodukt bei Energieerzeugung
Wasserstoffgas hat mehr Energie pro Gewichtseinheit als jeder andere chem. Brennstoff, aber: viel weniger pro Volumeneinheit
Nachteil: hoher teschnischer Aufwand; Speicherung und Transport sind problematisch
Elektrolyse braucht viel Strom
Speicherung: bei tiefen Temperaturen verflüssigt durch Druck- und Flüssigwasserstoffsp., Sp. In Metallhydriden o. Kohlenstoffnanoröhren (= sicherste Methode, aber schwere Tanks : 1 200kgTank können nur 2kg Wasserstoff gespeichertwerden)→ Transport, Verteilung
dann: in BZ kann chem. E. Mit hohem Wirkungsgrad bei minimaler Emission direkt in el. Strom umgewandelt werden → dabei werden kontinuierlich gasförmige Brennstoffe (Wasserstoff oder Erdgas) und Luft zugeführt
Ziel: Energie direkt an Ort und Stelle verwenden
Speicherung in Form von Wasserstoff erst dann sinnvoll, wenn Wasserstoff auch durch regenerative E erzeugt; diese im Überschuss da
komplette Umstellung d. Energieversorgung: dauert lang, ca 50 J.
WIE? : Zusammenarbeit Staaten, massive E.sparung (50-75%) → Erhöhung der Ökosteuer = Zwang zum E.sparen
Geschichte
1839 BZ erfunden von Jurist und Physiker Sir William Robert Grove ( 1811-1896)
beim experimentieren mit Elektrolyse v. Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff → Feststellung: Prozess= umkehrbar
Entwicklung „galvanische Gasbatterie“ : durch kalte Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff konnte 100% el. Strom erzeugt werden
erste Brennstoffzelle: 2 Platinelektroden, in Schwefelsäure getaucht, mit Wasserstoff und Sauerstoff umspült → geringer Stromfluss messbar
zu gering um sich damals durchzusetzen , auch: ungelöste Werkstoffprobleme, chem. Vorgänge der BZ waren nicht vollständig erklärbar
aber: Wissenschaftler Wilhelm Ostwald hat Bedeutung erkannt:
"Haben wir ein galvanisches Element, welches aus Kohle und dem Sauerstoff der Luft unmittelbar elektrische Energie liefert ...,dann stehen wir vor einer technischen Umwälzung, gegen welche die bei der Erfindung der Dampfmaschine verschwinden muss. Denken wir nur, wie ... sich das Aussehen unserer Industrieorte ändern wird! Kein Rauch, kein Ruß, keine Dampfmaschine, ja kein Feuer mehr... ."
Jules Verne 1870: „Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.“
erste brauchbare BZ in 50er J. → an Bord eines Satelliten im Apollo-Mondflug , dann Militär, geräuschfreien Antrieb von Elektomotoren bei U-Booten
steigendes Umweltbewusstsein → verstärkte Forschung → Verbesserung: zB. Korrision der Elektroden in Griff
Brennstoffzellentypen
Tabelle PP → 2 rausgesucht
1. Alkalische BZ: = Niedrigtemperatur- BZ
Prinzip: Elektrolyt= wässrige Kaliumhydroxid-Lösung → dienst auch der Temperaturregelung → kein weiterer Kühlkreislauf nötig
Brenngas = Wasserstoff an Anode zugeführt → oxidiert zu H+
an Kathode: Reduktion von Sauerstoff → OH- -Ionen enstehen
Reaktionsprodukt= Wasser → Reaktionsgleichungen
Temperatur= 60-120 ° C
Anwendung: bemannte Raumfahrt , U-Boot- Antriebe (Vorteile: außenluftunabh., geräuscharm, Abfall=Wasser → schwer ortbar)
Vorteile: robustes System ; gutes dynamisches Verhalten ; preiswerte Katalysatoren (Nickel, Silber)
Nachteile: sehr empfindlich gg Verschmutzung (durch CO2: Ausfällung von Kaliumcarbonat → Verstopfung) ; niedrige Lebensdauer (korrosive Elektrolyten)
2. Phosphorsäure BZ: = Mitteltemperatur- BZ
Prinzip: Elektrolyt= Phosphorsäure(90-100%)
Brenngas = Wasserstoff
Oxidationsmittel= Luft/reiner Sauerstoff → Reaktionsgleichungen
Temperatur= 135-200°C
Elektroden: Kohlenstoff-, Graphitteile (Qualität,Widerstandskraft) → rel. Unempfindlich gg Verunreinigungen
Katalysatoren: Platin, Platinlegierungen → stabil
Kühlung: Flüssigkeitskühlung, Luftkühlung, Wasserkühlung
Vorteile: robust, erhöhte Toleranz gg Verschmutzung des Brenngases, auf Kathodenseite kann Luft verwendet werden(kein Reingas) , dynamisch, CO2-tolerant
Nachteile: geringe Leistungsdichte, niedrige Lebensdauer(aggressive Elektrolyten), CO= Katalysatorengift → nimmt mit steigender Temperatur zu, Wirkungsgrad eher niedrig
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