EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

156 156 Brennstoffzellen Abb. 156–1: Schema eines Brennstoffelementes Abb. 156–2: Schema des alkalischen Knallgaselementes Brennstoffzellen Neben Batterien und Akkumulatoren können auch Brennstoffzellen zur Gewin- nung von elektrischer Energie verwendet werden. Im Unterschied zu Batterien sind die Reduktions- und Oxidationsmittel bei einer Brennstoffzelle flüssig oder gasförmig und können kontinuierlich zugeführt werden. Eine Brennstoffzelle eignet sich daher für die ununterbrochene Gewinnung von elektrischer Energie. Die erste Brennstoffzelle wurde bereits 1838 entwickelt, es dauerte jedoch bis in die 1960er-Jahre, bis sie auch praktische Bedeutung erlangte. Bei der Ent- wicklung der Raumfahrzeuge, mit denen schließlich die erste bemannte Mond- landung 1969 durchgeführt werden sollte, setzten die Techniker der NASA auf die Brennstoffzelle. Diese wurde so optimiert, dass sie schließlich an Bord der Gemini- und Apollo-Raumfahrzeuge für die Erzeugung des elektrischen Stromes verantwortlich war und auch später im Space Shuttle verwendet wurde. Die ho- hen Kosten der Brennstoffzelle führten aber dazu, dass sie trotz einiger Erfolge bis heute nur ein Nischenprodukt geblieben ist. Als Reduktionsmittel dienen bei modernen Brennstoffzellen Wasserstoff, Me- thanol, Ameisensäure oder Methan. Das Oxidationsmittel ist zumeist Sauerstoff. Die bei der Brennstoffzelle auftretenden Produkte sind meist umweltfreundlich. PE-Brennstoffzelle (PE-FC = Polymer Electrolyte Fuel Cell) Bei dieser häufig verwendeten Brennstoffzelle sind die Reaktionspartner Was- serstoff und Sauerstoff. Für die Reaktion benötigt man als Katalysator Platin. Der Elektrolyt ist eine Polymermembran, die nur Protonen durchlässt. An der Anode wird Wasserstoff oxidiert, an der Katode Sauerstoff reduziert (Abb. 156–2). Die Gesamtreaktion dieser Brennstoffzelle lautet: O 2 + 2 H 2 → 2 H 2 O Bei der Reaktion entsteht also als einziger Abfallstoff Wasser. Diese Brennstoff- zelle ist daher sehr umweltfreundlich und auch für den mobilen Einsatz geeig- net. Immer wieder werden Prototypen von Autos präsentiert, die mit Wasser- stoff betankt werden, über eine Brennstoffzelle elektrischen Strom produzieren und mit einem Elektromotor angetrieben werden. Bis jetzt haben diese Prototy- pen aber noch keine Serienreife erreicht. Den optimalen Wirkungsgrad von ca. 60 % erreicht diese Brennstoffzelle bei einer Temperatur von ca. 80 °C. Der platinhaltige Katalysator führt jedoch zu einem sehr hohen Preis für diese Brennstoffzelle. MC-Brennstoffzelle (MC-FC = Molten Carbonate Fuel Cell) Das Reduktionsmittel dieser Brennstoffzelle ist Erdgas oder Biogas, als Oxida- tionsmittel wird wieder Sauerstoff verwendet. Die Elektroden werden aus dem preiswerteren Metall Nickel hergestellt, als Elektrolyt dient eine Schmelze aus Lithium- und Kaliumcarbonat. Diese Brennstoffzelle arbeitet bei ca. 650 °C und erreicht einen Wirkungsgrad von 55 %. Sie ist preiswerter als die PE-FC, durch die hohe Temperatur aber nicht für den mobilen Einsatz geeignet. Neben Was- ser wird als Abgas auch das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid produziert. Die MC- FC eignet sich eher für den stationären Betrieb, zB in Kleinkraftwerken. Einige Versuchsanlagen wurden bereits errichtet, zur Serienreife hat es diese Techno- logie aber auch noch nicht gebracht. Energie Brennstoff Wasserstoff Methanol Hydrazin SYSTEM Brennstoffzelle Oxidations- mittel Sauerstoff Luft Reaktionsprodukte O 2 H 2 Wasser O 2 + H 2 O + 2 e – 2 OH – H 2 + 2 OH – 2 H 2 O + 2 e – 1 2 KOH Abb. 156–3: Brennstoffzelle auf Methanolbasis für Camping bzw. Boote Schüler-Experiment 6.8 Modellversuch zur Brennstoffzelle VS zu Minibrennstoffzellen – „Pee Power - Technologie“ Forschern im englischen Bath ist es gelungen Minibrennstoffzellen zu entwickeln, die Urin als Brennstoff nutzen. Dabei werden Zucker im Urin mit Hilfe von Mikroor- ganismen in elektrische Energie umgewandelt. Die so erzeugten Strommengen sind sehr gering, aber zum Laden von Handy-Akkus und zum Betrieb von LED-Leuchten reichen sie aus. Beim berühmten Glastonbury-Festival wurden schon Beleuchtun- gen im großen Maßstab mit Hilfe solcher Brennstoffzellen betrieben. Nur zu Prüfz ecken – Eigentum d s Verlags öbv