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About this book

Die Brennstoffzellen haben die Phantasie von Technikern aller Richtungen schon von jeher besonders angeregt. Der Wunsch, elektrische Energie direkt aus fossilen Brennstoffen zu gewinnen, ist zuerst um die Jahrhundertwende aus theoretischen Überlegungen heraus entstanden. Von 1920 an datierten ernst­ hafte Versuche, diese theoretische Möglichkeit auch experimentell zu verwirk­ lichen. Aber erst in den Jahren nach dem zweiten Weltkrieg kann man eine moderne technologische Entwicklung beobachten. Die Ursache daflir waren die Verbesserung der Materialien, die als Baustoffe dienen konnten, die Erkennt­ nisse in der Katalyse, und nicht zuletzt die Notwendigkeit, flir die Weltraum­ forschung geeignete Stromquellen auf der Basis von Wasserstoff und Sauerstoff zur VerfUgung zu stellen. In den siebziger Jahren wurde die Technologie der Brennstoffzellen "erd­ gebunden", und man versuchte, ihre Vorteile flir den Kraftwerksbau nutzbar zu machen. Als Brennstoffe verwendete man Erdgas und Dieselöl, die in Dampf­ reaktoren umgeformt wurden, so daß wieder Wasserstoff der eigentliche Brenn­ stoff war. Als Resultat der Erdölverknappung und des Umweltbewußtseins ist in der vergangenen Dekade das Interesse an Brennstoffzellen beträchtlich gestiegen. Ebenso hat der Enthusiasmus über ihre Zukunftsaussichten nach einem vorüber­ gehenden Tief wieder zugenommen. Anwendungen für Brennstoffzellen sind: Kleine Aggregate zur Stromerzeu­ gung, zunächst als Ersatz für Dieselmotor-Generatoren in entlegenen Lokalitäten, später vielleicht für den Fahrzeugantrieb; mittelgroße Anlagen zur Produktion von Elektrizität in Kraftwerken innerhalb von Stadtbezirken; große Brennstoff­ batterien für den Lastausgleich in Verbundnetzen.

Table of Contents

Frontmatter

1.0. Einführung

Zusammenfassung
Die letzten zwei Jahrzehnte des 20. Jahrhunderts werden eine Übergangszeit für die Methoden der Energiegewinnung, Speicherung und Umwandlung sein. Die fossilen Brennstoffe werden einerseits wegen ihrer abnehmenden Verfügbarkeit, andererseits wegen der Schädlichkeit ihrer Verbrennungsprodukte gegenüber einer allgemeineren Verwendung von Elektrizität zurücktreten. Diese Elektrizität wird aus erneuerbaren Energiequellen wie Wasserkraft, Sonnen- und Windenergie bzw. Atomreaktoren kommen. Als Energietransportmittel und Speicher bietet sich Wasserstoff an.
Karl Kordesch

2.0. Die Entwicklung der Brennstoffzellen

Zusammenfassung
Die Definition der Brennstoffzellen soll dieser kurzen historischen Zusammenfassung [1] vorausgestellt werden: „Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, die kontinuierlich die chemische Energie eines Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umwandelt, wobei die Elektrodenprozesse grundsätzlich in einem invarianten Elektroden-Elektrolyt-System vor sich gehen“ [2]. Diese grundsätzliche Formulierung geht auf Wilhelm Ostwald [3] zurück, der schon 1894 auf Grund von thermodynamischen Überlegungen erkannte, daß ein elektrochemisches Element einen höheren Wirkungsgrad erreichen kann als eine Wärmekraftmaschine, die durch Camots Gesetz beschränkt ist. Dazu kommt noch die Tatsache, daß die Kapazität eines Brennstoff-Batteriesystems nur durch die Menge des mitgenommenen Brennstoffes begrenzt ist.
Karl Kordesch

3.0. Theoretische Grundlagen

Zusammenfassung
Die direkte Methode der Energieumwandlung mit galvanischen Elementen vermeidet, wie schon erwähnt, die Begrenzung der Wärmekraftmaschine nach dem Carnotschen Gesetz und kann im Idealfall über 90% der chemischen Energie in elektrische Energie umwandeln. Praktische Werte liegen um 60%. Der Maximalwirkungsgrad einer Brennstoffzelle wird durch die freie Energie der Zellreaktion (Δ G) und die Enthalpie für die Verbrennungsreaktion (ΔH) bestimmt. Die Differenz zwischen diesen Werten wird durch den Entropieunterschied (ΔS), multipliziert mit der absoluten Temperatur (T), bestimmt. Für die Standardabweichungen gilt
(1)
.
Karl Kordesch

4.0. Laboratoriums-Testmethoden

Zusammenfassung
Zur schnellen Untersuchung von Elektroden wurde die sehr einfache Zellkonstruktion der Abb. 1 verwendet. Die Testzelle bestand aus einem PTFEElektrolytreservoir, zwei Elektroden mit Dichtungen und zwei PTFE-Gaskammern, die mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff gespeist wurden. Die gesamte Einheit wird durch eine C-Klammer zusammengehalten. Durch einen kleinen Heizkörper wurde der Elektrolyt auf die gewünschte Temperatur gebracht. Diese Zellanordnung wurde hauptsächlich für Polarisationsteste verwendet, die nur eine kurze Zeit in Anspruch nahmen. Eine detaillierte Ausführung einer ähnlichen Konstruktion wird in der Literatur beschrieben [1].
Karl Kordesch

5.0. Brennstoffe

Zusammenfassung
Reiner Wasserstoff benötigt keine weitere Behandlung und vereinfacht das System. Er kann in alkalischen Brennstoffzellen mit hohen Leistungsdichten direkt verwendet werden. Die Hauptschwierigkeiten bei der Verwendung von Wasserstoff sind seine Verfügbarkeit, die Transportmöglichkeit und die effektive Speicherung (s. Tabelle 1).
Karl Kordesch

6.0. Materialien

Zusammenfassung
Kohlenstoff hat die Eigenschaften von Metallen und Nichtmetallen. Der Grund dafür ist die spezielle Struktur des Elektronenbandes (Valenz- und Leitfähigkeitsbänder überschneiden sich). Die Festkörpereigenschaften sind anisotrop, parallel oder senkrecht zur Basisebene gemessen.
Karl Kordesch

7.0. Elektrodentechnologie

Zusammenfassung
Brennstoffzellenelektroden kann man nach ihren Konstruktionsmaterialien einteilen in Kohleelektroden, Metallelektroden und zusammengesetzte Elektroden, wobei die letztere eine Kombination eines Metallträgers und einer aktiven Kohleschichte darstellt. Für Phosphorsäure und Trifluormethansulfonsäure als Elektrolyte sind nur Kohleelektroden geeignet. Als Stromableiter können säurewiderstandsfähige Metalle, z.B. Tantalgitter, verwendet werden. Aus Kostengründen sind jedoch Elektroden, die nur aus Kohle bestehen, besonders geeignet. Bei Stromabnahme vom Rand der Elektroden muß man genügend dicke Kohle-platten zur Vermeidung des Spannungsabfalles am Widerstand verwenden. Eine neuere Lösung mit dünnen Kohleelektroden stellt die bipolare Zellkonstruktion dar. Als Konstruktionsmaterial für saure Zellen verwendet man graphitische, möglichst wenig poröse Kohlematerialien.
Karl Kordesch

8.0. Brennstoffbatterien für den Fahrzeugantrieb

Zusammenfassung
Die Anforderungen des Umweltschutzes lassen seit einigen Jahren Elektrofahrzeuge als die Lösung der Umweltverschmutzungsprobleme erscheinen. Diese Ansichten sind prinzipiell nur teilweise richtig, denn die Erzeugung von elektrischer Energie in zentralen Kraftwerken ist auch umweltverschmutzend, wenn auch sicherlich besser zu überwachen und zu beeinflussen als die Reinheit der Auspuffgase von Millionen von Straßenfahrzeugen [1].
Karl Kordesch

9.0. Stationäre Brennstoffzellen-Systeme

Zusammenfassung
Diese Type von Brennstoffzellen hat heute den höchsten Stand der Technik erreicht, obwohl Phosphorsäure ein schlechter Ionenleiter ist, fast alle Konstruktionsmateralien und Metalle von ihr bei einer Betriebstemperatur von 200 °C angegriffen werden und Platin als Katalysator an der Anode und Kathode verwendet werden muß. Die wesentlichen Vorteile, daß kohlenoxidhaltige Gase als Brennstoffe verwendet werden können, und die hohe Temperatur die Wasserentfernung auch bei großen Stromdichten ermöglicht, machten den Unterschied aus und alkalische Zellen, die bis etwa 1970 als höchstentwickelt galten und in den Weltraumprogrammen Triumphe feierten, wurden überholt. Abb. 1 zeigt das Prinzip einer Brennstoffzelle mit Phosphorsäure als Matrix-Elektrolyt.
Karl Kordesch

10. Bibliographie

Ohne Zusammenfassung
Karl Kordesch

Backmatter

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