Brennstoffzelle

Wachsender Energiebedarf
Zu den Hauptproblemen auf unserem Globus zählt sicherlich der ständig steigende Energiebedarf und die mit der Energieerzeugung verbundene Umweltverschmutzung. Einerseits sind auch die Vorräte an fossilen Brennstoffen, wie Erdöl, Erdgas und Lagerstätten Kohle begrenzt. gefunden und Es werden erschlossen, zwar aber auch auch wieder diese neue werden irgendwann erschöpft sein. Die geschätzten Vorräte betrugen 1997 138.533 Millionen Tonnen Erdöl sowie 143.942 Milliarden m 3 Erdgas. Bei einem Weltjahresverbrauch von 3.509 Millionen Tonnen Erdöl und 2.307 Milliarden m 3 Erdgas beträgt die Reichweite noch 39,47 und 62,39 Jahre; die Vorräte für Steinkohle und Braunkohle reichen wohl noch 169 bzw. 225 Jahre (vgl. OECD 1998). Darin ist aber noch keine Erhöhung des Energieverbrauches fortschreitende durch steigenden Industrialisierung Individualmehrverbrauch der sowie Industrienationen und Entwicklungsländer berücksichtigt. Andererseits werden durch die Verbrennung dieser Energieträger Gifte, sowie Kohlendioxid, das als Hauptverursacher des Treibhauseffektes gilt, freigesetzt. Experten sagen uns für die Zukunft große Umweltprobleme voraus. Bei einem gleichbleibenden Kohlendioxidausstoß wird die Durchschnittstemperatur in den nächsten 30 Jahren um vorraussichtlich ca. 2.7 bis 5.2 Grad ansteigen. Die Meeresspiegel werden um ca. 50 cm steigen, die Wüstengebiete sich stark vergrößern und vieles mehr. Über die Notwendigkeit der Energieeinsparung und Kohlendioxidausstoß- reduzierung herrscht weitestgehend Einigkeit. Lösungsansätze hierfür könnten der Einsatz von umweltfreundlichen und regenerativen Energien (Photovoltaik, Windenergie, Biomasse, Wasserkraft) bieten. Diese sind zum Teil aber nicht ganz ausgereift oder noch zu teuer. Eine weitere Möglichkeit ist das Einsparen von Energie.

Energiesparende Techniken
Hier sind moderne resourcenschonenden Technologien, wie die Brennstoffzelle, gefragt. Die Erfindung der Brennstoffzelle liegt mittlerweile schon mehr als 160 Jahre zurück. Als Erfinder der Brennstoffzelle gilt Sir William Grove, der im Jahre 1839 bei Versuchen zur Elektrolyse von Wasser entdeckte, daß sich der Prozeß umkehren ließ: Wurden zwei in Schwefelsäure getauchte Platinelektroden mit Wasserstoff und Sauerstoff umspült, war eine Spannung von einem Volt zu messen. Der Prozeß, der in Brennstoffzellen abläuft ist ein gänzlich anderer als die Energierezeugung in Wärmekraftmaschinen. Die im Brennstoff gespeicherte chemische Energie wird auf elektrochemischem Weg direkt in elektrische Energie umgewandelt. Der Wirkungsgrad ist nicht durch den Carnot-Faktor begrenzt. Man kann erkennen, daß der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle bei niedrigen Temperaturen höher ist als der einer Wärmekraftmaschine (siehe Abbildung 1). Daraus ergeben sich einige Vorteile. • Um die gleiche Energie bereitzustellen ist der Energieverbrauch der Maschine mit dem höheren Wirkungsgrad geringer, und damit auch der Verbrauch an Brennstoffen. • Die Schadstoffemision einer Brennstoffzelle ist wesentlich geringer als bei Wärmekraftmaschinen. Bei der unkontrollierten Verbrennung und den hohen Temperaturen entstehen häufig erst viele Schadstoffe (z.B. Stickoxide), die dann mit abermals hohem Energieaufwand aus dem Abgas entfernt werden müssen. Ca. 25% der Ausgangsleistung des Kohlekraftwerks werden allein zur Reinigung des Abgases des Kraftwerks benötigt. • Der Betrieb unproblematischer einer als Brennstoffzellenanlage der eines Kernkraftwerks ist weitaus oder sonstigen Wärmekraftwerks, die oft mit sehr hohen Temperaturen und Drücken fertig werden müssen. Die Brennstoffzelle arbeitet in einem Temperaturbereich von ca. 60°C-120°C (PEMFC) bis ca. 800°C – 1000°C (SOFC). Brennstoffzellen können in Einheiten mit kleiner Leistung gebaut werden, die dann modular für die jeweilige Anwendung zusammengesetzt werden. So muß nicht für jede Betriebsart eine neue Maschine konstruiert und produziert werden, vielmehr genügt es die entsprechende Anzahl von Brennstoffzelleneinheiten (Stack) zu verschaltet. Durch entsprechende industrielle Großserien können schließlich wieder Kosten gesenkt werden.

Brennstoffzellen in KFZs
Aber auch bei Kraftfahrzeugen, die in den Städten einen großen Teil zur Luftverschmutzung und zum Smog beitragen, wäre der Einsatz von Brennstoffzellen wünschenswert. Für diesen Anwendungsbereich kommt die Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle PEMFC in Frage, da sie in einem Temperaturbereich von ca. 100°C arbeitet, und einen hohen Wirkungsgrad im Teillastbereich hat. Sie besitzt die Fähigkeit zu schnellen Lastwechseln und emittiert selbst keine Schadstoffe. Die ehrgeizigen Ziele von Zero-Emision-Vehikles könnten so unter Umständen schneller erreicht werden. Ein großer Vorteil ist zudem die geringe Geräuschentwicklung einer Brennstoffzelle. Dies kommt besonders beim Einsatz in mobilen Systemen zum Tragen. Ein großer Teil der Lärmentwicklung in Kraftfahrzeugen kommt beispielsweise vom Motor und könnte durch das Verwenden von elektrischen Antrieben entsprechend verringert werden. Die PEMFC ist also ideal geeignet für den Einsatz in Kraftfahrzeugen. Probleme bereitet jedoch die mangelnde Kohlenmonoxidverträglichkeit der PEMFC. Das Kohlenmonoxid ist im Brennstoff enthalten oder entsteht bei dessen Erzeugung. Es führt zu einer Vergiftung der Brennstoffzelle und damit zu einer geringeren Leistungsdichte. Dies macht die Verwendung der Brennstoffzelle uninteressant. Der Vorgang der Vergiftung ist jedoch reversibel, das heißt zeitlich umkehrbar. Betreibt man die Brennstoffzelle in einem geeigneten Betriebspunkt, so löst sich die Vergiftung zumindest teilweise wieder auf. Dieser Umstand ist Grundlage der Pulsmethode an der PEMFC, die in dieser Diplomarbeit näher untersucht wird.