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brennstoffzelle

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brennstoffzelle [2006/11/03 09:13] (aktuell)
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 +**[[Start]] | [[Fahrzeuge]] | [[Technik]] | [[Wissenswertes]] | [[Biokraftstoffe]]**
  
 +====== Brennstoffzelle ======
 +
 +Die Brennstoffzelle erzeugt [[Strom]] durch dei kalte Verbrennung von [[Wasserstoff]].
 +Für den Einsatz in [[Elektrofahrzeuge]]n ist Sie noch zu teuer. Weiter ist die Beschaffung des Brennstoffs (Wasserstoff,​ [[Methanol]] u.a.) ein Problem. Mit Brennstoffzellen sind hohe [[Reichweite]]n realisierbar. Der Gesamt[[wirkungsgrad]] dürfte aber ab Herstellung des Wasserstoffes nicht besser sein, als [[Strom]] aus der Steckdose. Ganz von Wasserstoff aus fossielen Quellen abgesehen...
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 +===== Technik =====
 +
 +Aus: http://​de.wikipedia.org/​wiki/​Wasserstoff und 
 +
 +Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde 1838 von Christian Friedrich Schönbein anhand der Reaktion
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 +2 H2 + O2 = 2 H2O
 +
 +entdeckt. Viele Brennstoffzellentypen nutzen heutzutage diese Reaktion als „kalte Verbrennung“ zur Gewinnung elektrischer Energie.
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 +Ein wichtiges Beispiel ist die Protonenaustauschermembran-Brennstoffzelle (PEMFC). Eine solche Brennstoffzelle verwendet in der Regel Wasserstoff als Energieträger und erreicht einen Wirkungsgrad von etwa 60%. Andere Konstruktionen arbeiten mit Methanol oder Methan und erzeugen daraus den Wasserstoff mittels Reformierung. Das Kernstück der PEMFC ist eine Polymermembran,​ die für Protonen durchlässig ist (also für H+-Ionen), die so genannte proton exchange membrane (PEM). Gleichzeitig stoppt die Membran größere Ionen und wirkt für diese isolierend. Das Oxidationsmittel ist dadurch räumlich vom Reduktionsmittel getrennt.
 +
 +Wasserstoff wird an der Anode katalytisch oxidiert und dabei unter Abgabe von Elektronen in Hydronium-Ionen umgewandelt. Diese 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. Gleichzeitig bewegen sich die Hydronium-Ionen durch die Protonenaustauschermembran (PEM) zur Kathode und reagieren gleichzeitig mit dem reduzierten Sauerstoff zu Wasser. ​
 +
 +Bisher werden in Fahrzeugen meist Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen verwendet: Deren Prozesstemperatur beträgt ca.  80 C. Wesendlich höhere Temperaturen zerstören die Zellen. Weil das als Elektrolyt eingesetzte Wasser über 80 C immer schneller verdampft. Daher ist ein aufwendiges Kühlsystem notwendig sowie systembedingt eine Befeuctung der zugeführten Gase Wasserstoff und Sauerstoff, damit die wassergetränkte Membran zwischen Anode und Kathode nicht austrocknet.
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 +
 +==== Hochtemperaturbrennstoffzellen von VW ====
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 +Um die Problematik der bisherigen "​Niedertemperaturbrennstoffzellen"​ zu umgehen, wurde immer wieder mit Hochtemperatur-Brennstoffzellen experimentiert. Ohne Wasser nutzen sie als "​Protonenleiter"​ zwischen Anode und Kathode eine mit Phosphorsäure getränkte Membran. Diese verträgt Betriebstemperaturen bis 160 Grad Celsius (daher der Name Hochtemperatur-Brennstoffzelle). Das Problem war bisher: Das an der Kathode entstandene Produktwasser wusch allmählich die Phosphorsäure aus der Membran, womit die Zelle zerstört war.
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 +Die Elektroden aus Kohlenstoff wurden in einer speziellen Siebdruckmaschine mit einer "​neuartigen Paste" beschichtet:​ Das Produktwasser kann die Phosphorsäure nun nicht mehr auswaschen, die Hochtemperatur-Brennstoffzelle arbeitet nun dauerhaft stabil. Bereits gute 1000 Betriebsstunden mitsechs Prozent Leistungseinbuße sind das Ergebnis. ​
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 +Für VW ist die Hochtemperatur-Brennstoffzelle das Ziel, wenn es um den Wasserstoffantrieb eines Autos serienreif werden soll. Die Kühlung ist mit einem normalen Diesel-Pkw vergleichbar. Teure, schwere und platzraubende Komponenten zur Befeuchtung der Gase sind nicht nötig. Die Leistungsausbeute bisher: 0,9 Watt cm2.
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 +VW prognostiziert in ca. 10 Jahren serienreife Fahrzeuge. **Mit der interessanten Einschränkung,​ dass, sollten vorher bessere Batterie für den Einsatz im Auto entwickelt werden, wäre "... die Brennstoffzelle ganz schnell vergessen. Denn das wäre etwa viermal effizienter."​**
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 +Information aus: http://​www.spiegel.de/​auto/​aktuell/​0,​1518,​445847,​00.html
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 +==== Gleichung ====
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 +Die an den Elektroden der PEMFC auftretenden Bruttoreaktionen sind in den folgenden Gleichungen wiedergegeben:​
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 +Anode H2 + 4 H2O = 4 H3O^+ + 4 e^-
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 +Oxidation / Elektronenabgabe
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 +Kathode O2 + 4 H3O^+ + 4 e^- = 6 H_2O
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 +Reduktion / Elektronenaufnahme
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 +Einige Punkte auf dem Weg zur praktischen Nutzung stellen folgende Ereignisse dar:
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 +    * Am 13. April 1994 stellt die Daimler-Benz AG das erste Brennstoffzellen-Fahrzeug NECAR 1 (New Electric Car) der Öffentlichkeit vor. Das Fahrzeug verwendet eine PEM-Brennstoffzelle und nutzt Methanol als Treibstoff. Im Mai 1997 präsentiert die Firma den Stadtomnibus NEBUS mit Brennstoffzellenantrieb.
 +    * 2004 wird das Wasserstoff-Leichtmobil Hysun3000 vom TÜV zugelassen.
 +    * Am 26. Juni 2005 fand der „Eco-Marathon“ in Ladoux statt. Das PAC-II Car der ETH Zürich brauchte dabei nur 1,02 Gramm Wasserstoff,​ um 25 km mit einer Geschwindigkeit von 30 km/h zurückzulegen. Dies entspricht ca. 1 Liter Benzin für 5385 km.
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 +===== Problem =====
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 +Grundsätzliche Probleme: Die Wasserstoffproduktion kostet ca. 50% der Primärenergie. Die Speicherung von [[Wasserstoff]]:​ Bei herkömmlichen Tanks für Testfahrzeuge dauert "​Selbstentladung"​ auf 0 ca. 2 Wochen. Das heist bei ständiger Verwendung eines Fahrzeugs gehen pro Jahr 27 Tankfüllungen verlohren. Die Produktion von Strom durch Wasserstoff in Brennstoffzellen hat ca. einen Wirkungsgrad von 50%. Weiter ist die Verwendung von Brennstoffzellen fast gleichbedeutend mit der Verwendung von Akkus, da für die Herstellung meist Strom benötigt wird und dieser durch die Brennstoffzelle wieder zur Verfügung gestellt wird... Der Gesamtwikungsgrad ist also verheerend schlecht. Je weniger km desto schlechter. Der Einsatz von Brennstoffzellen ist solange der Wasserstoff flüssig oder gasförmig gespeichert wird nur unter spezillen Bedingungen wie z.B. sehr hoher Kilometerleistungen sinnvoll. Es fragt sich ob es nicht sinnvoller wäre die Anstrengungen mehr auf Akkus zu konzentrieren.
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 +====== Links ======
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 +  * http://​auto.pege.org/​2005-wasserstoff
 +  * http://​www.hycar.de Rund ums Thema Wasserstoffantrieb. Achtung die Probleme sind nicht (richtig) dargestellt.
 +  * http://​www.photonik.de/​magazin/​nanotech/​pdf/​nanotechnik_2003_05.pdf Zitat: Um H2 zu verflüssigen braucht man 1/3 seiner Enregie ...
 +  * http://​www.hyweb.de darin http://​www.hyweb.de/​Wissen/​w-i-energiew.html Alles über Wasserstoff. Kritische Punkte muss man sich zusammensuchen z.B.: Brenstoffzelle:​ "200WK elektrisch und änhnlich termisch":​ Heist Wirkungsgrad 50%...
brennstoffzelle.txt · Zuletzt geändert: 2006/11/03 09:13 (Externe Bearbeitung)