Brennstoffzelle zur Versorgung mit Strom und Wärme für die Haus - Heizung oder als Antrieb fürs Auto Aufbau, Funktion und Anwendung der Brennstoffzellen mit Wasserstoff und Sauerstoff
Die Entwicklung der ersten Brennstoffzelle liegt schon weit länger zurück, als man bei dieser genialen Technik des Stromerzeugens glauben mag. Schon im Jahre 1838 wurde von einem Professor Schönbein aus Basel (Schweiz) mit der Technik von Brennstoffzellen erstmals belegbar experimentiert. Der Wissenschaftler William Grove aus Wales entwickelte diese Technik kurz darauf noch weiter. Industrielle Entwicklungen wie Dampfmaschinen drängten die Erkenntnisse der ersten Entwickler der Brennstoffzellen wieder in den Hintergrund. Dafür war der Dampf - Maschinenbau Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts in Europa einfach zu stark im kommen und setzte sich erst einmal durch.
Mit dem immer stärker werdenden technischen Fortschritt wurde der Energiebedarf für all die vielen neuen technischen Geräte im Haushalt und in der Industrie immer akuter. Der Bau von immer mehr Kraftwerken, teils auf Atombasis, teils auf Kohlebasis, wurde immer stärker vorangetrieben. Vor allem die Kohlekraftwerke wurden zu einem umweltbelastenden Fakt, weswegen man sich in den 80-iger Jahren wieder stark nach alternativen und regenerativen Energieerzeugern umschaute. Die Brennstoffzellen - Technik hat dabei als umweltfreundliche Technologie mit Wasserstoff und Sauerstoff ohne Kohlendioxid - Ausstoß einen forderen Platz als Alternative bei der Anwendung zur Energieerzeugung eingenommen und dürfte wohl auch der Energieerzeuger der Zukunft überhaupt werden. Da aber die Lobby der Erdölindustrie sehr groß ist, wird die Entwicklung bzw. die Umsetzung der bisherigen Entwicklungen vor allem als Antriebsenergieerzeuger im Auto wie für PKW, Busse oder LKWs noch einige Zeit in Anspruch nehmen. Wahrscheinlich wird das durch Brennstoffzellen angetriebene Auto erst dann in Serie produziert, wenn die weltweiten Vorräte an Erdöl zur Neige gehen und damit Benzin und Diesel zu knapp werden. Auch müssen günstige technische Lösungen für die Beheizung der Zelle bei Außentemperaturen von unter 0 Grad Celsius und die Kühlung der Zelle bei Außentemperaturen von über 40 Grad Celsius vervollkommnet werden, um auch da die volle Funktionsfähigkeit zu erhalten. Außer der Fahrzeugtechnik fürs Auto stehen aber andere Branchen ebenfalls im Fokus der Anwendung der Brennstoffzellen - Technik. Überall dort, wo keine feste Stromversorgung vorhanden ist, könnten Brennstoffzellen als Stromerzeuger zur Anwendung kommen. Die Brennstoffzelle kann eines Tages die herkömmliche Batterie ablösen, da die Brennstoffzelle eine sehr viel längere Haltbarkeit aufweisen kann. Auch in der dezentralen Strom - Versorgung und Heizung wie beispielsweise im Einfamilienhaus oder einem größeren Haus kann die Brennstoffzelle eines Tages umweltschonend und ohne Schadstoffe Energie für die Heizung und die elektrischen Geräte erzeugen. Allerdings wird für die Wärmeerzeugung für eine Heizung im Einfamilienhaus oder einem größeren Haus nach jetzigem technischen Stand teilweise auch Gas als Erdgas statt Wasserstoff zur Anwendung kommen. Der wichtigste Faktor bei einer Markteinführung solcher Brennstoffzellen - Geräte für die Heizung sind aber immer wieder die Kosten. Durch die jahrelangen Forschungen und Entwicklungen von Prototypen wurde schon viel Geld investiert, welches vor allem in der Anfangszeit der Markteinführung die angebotenen Geräte zur Heizung verteuern kann, bis die Technik der Brennstoffzelle eines Tages als Massenware auch im Preis fällt.
Bild: Schematischer Aufbau und Funktion einer PEFC - Membran - Brennstoffzelle mit Wasserstoff und Sauerstoff.
Aufbau und Funktion einer Membran - Brennstoffzelle mit Wasserstoff und Sauerstoff
Bei der Energieerzeugung in einer Brennstoffzelleneinheit kann auf die zusätzliche Wärmeerzeugung, wie sie in großen Kraftwerken notwendig ist, verzichtet werden. In Kraftwerken wird über die erzeugte Wärme Dampf unter hoher Temperatur und hohem Druck genutzt, um einen Generator anzutreiben, in dem dann Strom erzeugt wird. Bei der Brennstoffzelle ist dies sehr viel einfacher. Über einen ausschließlich chemischen Prozessablauf wird die elektrische Energie erzeugt, wobei dann auch größere Wärme entstehen kann, die man teilweise ebenfalls nutzt. Der Aufbau einer einzelnen Brennstoffzelleneinheit besteht aus einer Anode und einer Kathode. Zwischen diesen Elektroden befindet sich das Elektrolyt in Form einer Kunststoff - Membran. Wasserstoff wird als so genanntes Brenngas an die Anode angelegt. An der Kathode befindet sich Luft mit Sauerstoff. Durch diese beiden unterschiedlichen Stoffe Wasserstoff und Sauerstoff entsteht zwischen der Anode und der Kathode ein unterschiedliches energetisches Potential. Durch Oxydation des Wasserstoff an der Anode entstehen Protonen, die über das Elektrolyt Kunststoff - Membran zur Kathode wechseln. An der Kathode reagiert der Sauerstoff mit den Protonen und bildet Wasser. Dies ist die so genannte innere Verbindung der Elektroden. Über eine äußere weitere Verbindung von Kathode und Anode, ähnlich einem Stromkreis über Kabel, wird über den äußeren Potentialunterschied als Folge der vor sich gehenden chemische Reaktion der entstehende elektrische Strom abgenommen, der dann genutzt werden kann. Unterbrochen darf dieser Kreislauf an keiner Stelle sein, ansonsten ist die Funktion nicht mehr gegeben. Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen. Das hier beschriebene Prinzip von Aufbau und Funktion gehört zur mit Wasserstoff und Sauerstoff betriebenen Membran - Brennstoffzelle, fachlich bezeichnet als PEFC Polymer Elektrolyte Fuel Cell. Es gibt aber auch noch weitere Arten wie PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell, MCFC Molten Carbonate Fuel Cell oder SOFC Solid Oxide Fuel Cell.
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