Referat über die Brennstoffzelle

HI Leute! Da ich denk das es auch dieses Jahr wieder viel Schülerinnen und Schüler geben wird die in Physik ein Referat über die Brennstoffzelle halten müssen hab ich mich entschieden mein Referat von letzten Jahr rein zu stellen. Auf dieses Referat hab ich eine eins bekommen. Viel Spaß damit.

2. Allgemeines
2.1 Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung, um Energie, die bei klassischen Verbrennungen frei wird, möglichst verlustfrei in elektrische Energie umzuwandeln. Typische Brennstoffe für die Brennstoffzelle sind Wasserstoff, Erdgas, Biogas, aber auch Benzin oder Methanol. Diese Kraftstoffe sind besonders geeignet, da sie zu einem großen Teil aus Wasserstoff bestehen. Die Brennstoffzelle gehört zu den elektrischen Energiewandlern wie Batterien und Akkumulatoren. Im Unterschied zu Batterien ist aber der Energievorrat, aus dem sie den Strom erzeugt, nicht in der Zelle gespeichert, sondern er wird kontinuierlich von außen zugeführt. Eine Brennstoffzelle erzeugt so lange Strom, wie die Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff andauert.


2.2 Geschichte
Als Erfinder der Brennstoffzelle gilt der Jurist und Physiker Sir William Robert Grove (1811-1896). Er erkannte 1839, dass bei einer Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff Elektrizität freigesetzt wird und sprach von einer Umkehrung der Elektrolyse. Sie nannten es damals „ galvanische Gasbatterie“. Die Erfindung der Dynamomaschine durch Werner von Siemens (1816-1892) brachte die „galvanische Gasbatterie“ in Vergessenheit. (Werner von Siemens baute die erste elektrische Straßenbahn, den ersten elektrischen Aufzug und war Mitgründer der heutigen Siemens AG).

Die erste Brennstoffzelle wurde in den 50er Jahren im Zuge der Raumfahrt entwickelt. Die Brennstoffzellen wurden zur Stromversorgung an Bord der Satelliten eingesetzt. Es folgte der Einsatz von Brennstoffzellen in U-Booten, deren Strom für den geräuschfreien Antrieb der Elektromotoren sorgte. Mit dem steigenden Umweltbewusstsein stieg auch das Interesse an den emissionsfreien Brennstoffzellen. Seit dem werden die Forschungsarbeiten zur Realisierung auf diesem Gebiet verstärkt. So z.B. ist in Spanien (lt. Wertheimer Zeitung vom 04,04,2008) „ erstmals eine von einer Brennstoffzelle und Batterien angetriebene Boeing- Propellermaschine zu Testflügen abgehoben.“. Es wird aber noch einige Jahre dauern, bis die Wasserstoffwirtschaft so weit ist, dass Brennstoffzellen flächendeckend eingesetzt werden können.

3. Aufbau
Die Brennstoffzelle sieht aus wie eine elektrische Batterie und ist letztlich auch so aufgebaut. Es gibt zwei Elektroden oder Pole, die durch eine Membran von einander getrennt sind. Die Elektroden sind mit einem Katalysator überzogen, meist Platin oder Palladium (beides Edelmetalle).(Katalysatoren beschleunigen einen chemischen Vorgang, sie selbst werden dabei aber nicht selber verbraucht.) Die eine Elektrode (Anode) wird mit Wasserstoff umspült, die andere (Kathode) mit Sauerstoff. Ohne das Membran würden sich die beiden Gase vermischen und es würde allenfalls zu einer normalen Verbrennung bzw. zu einer Knallgasreaktion kommen. Die Membran bewirkt jedoch, dass anstelle der normalen Verbrennung eine elektrochemische Reaktion stattfinden kann.

4. Reaktion
Wasserstoff (H2) ist von sich aus bestrebt, zusammen mit Sauerstoff (O2) zu Wasser (H2O) zu reagieren. Dazu bedarf es keiner externen Energiezufuhr, statt dessen wird Energie abgegeben (exotherme Reaktion). Vielfach wird bei dieser Reaktion an die Knallgas-Reaktion gedacht. Bei einer Knallgas Reaktion sind zwar Wasserstoff und Sauerstoff als Ausgangsprodukte beteiligt, allerdings muss dabei reiner Sauerstoff vorhanden sein, der in einem bestimmten Verhältnis (1:2) mit Wasserstoff vermischt und dann gezündet wird. In der Brennstoffzelle wird der Sauerstoff aus der Luft entnommen. Ebenfalls ist im inneren der Brennstoffzelle keine Zündquelle vorhanden und Wasserstoff und Sauerstoff sind voneinander getrennt. Der Kraftstoff soll zwar mit dem Sauerstoff reagieren, aber nicht schlagartig. Deswegen spricht man bei diesem Vorgang auch von der "kalten Verbrennung".

Die Reaktion in der Brennstoffzelle läuft wie folgt ab. Von außen wird unter Druck kontinuierlich Wasserstoff (H2) an die „Brennstoffelektrode“ (Anode), Sauerstoff (O2) an die „Oxidatorelektrode“ (Kathode) herangeführt. Die Wasserstoffmoleküle werden an der Anode in Wasserstoffionen (Protonen, H+) u. Elektronen (e-) zerlegt:
2 H2 --> 4 H+ + 4 e-
Die Protonen strömen durch die Membran zur Kathode. Die Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Verbraucher zur Kathode, da sie von der Membran nicht durchgelassen werden. An der Kathode findet ein Ladungsaustausch statt und die Sauerstoffmoleküle reagieren mit dem Wasserstoffionen und Elektronen zu Wasser.
O2 + 4 H+ + 4 e- -> 2 H2O
Die gesamt Reaktion der Brennstoffzelle lautet deshalb:
2 H2 + O2 --> 2 H2O + E

Vorteile
Der wohl größte Vorteil der Brennstoffzelle ist, dass sie völlig schadstofffrei ist. Bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff fällt als einziges Endprodukt Wasser und Energie an. Das anfallende Wasser könnte man wieder zu Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. Dadurch entsteht ein Kreislauf den man unendlich fortsetzen könnte. Auch ist der Ausgangsstoff Wasser in unbegrenzten Mengen auf der Erde vorhanden.

Ein weiterer Vorteil der Brennstoffzelle ist ihr hohe Wirkungsgrad. Der Verstromungswirkungsgrad liegt zwischen 40% und 65%. Dieser Wirkungsgrad liegt bei Verbrennungsmotoren deutlich niedriger. So liegt er zum Beispiel beim Ottomotor zwischen 10% und 20%, beim Dieselmotor zwischen 20% und 35% und bei der Gasturbine zwischen 15% und 40%. Das kommt durch die direkte Umwandlung von chemischer in elektrische Energie in der Brennstoffzelle. Beim Ottomotor hingegen wird die chemische Energie (Benzin) erst in Bewegungsenergie und dann in elektrische Energie umgewandelt. Bei diesen Energieumwandlungen geht immer Energie verloren.

Die Reaktion in der Brennstoffzelle läuft lautlos und geruchsfrei ab. Wenn sich diese Technik durchsetzen würde, hieße das, dass der Geräuschpegel in Straßen erheblich abnehmen würde. Ebenfalls würden die neu eingerichteten „Umweltzonen“ bald der Vergangenheit angehören.


Nachteile
Trotz der Vorteile gibt es auch schwerwiegende Nachteile, die gegen die Brennstoffzelle sprechen. Der Wasserstoff muss erst mit sehr hohem Energieaufwand aus Wasser gewonnen werden. Diese Energie zur Herstellung von Wasserstoff stammt noch zu 90% aus fossilen Brennstoffen. Es sind zwar Solar-Wasserstoff Projekte geplant, diese sind aber auch sehr umstritten. „Die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle ist ökologisch umstritten: Wasserstoff kann zwar durch Einsatz erneuerbarer Energien klimaneutral gewonnen werden, jedoch sind die Verluste bei Herstellung und Transport zu berücksichtigen. So hat etwa die Kette Erdgas ; Wasserstoff Brennstoffzellen-PKW einen Wirkungsgrad von 30 %, die Kette Wasserstoff über Elektrolyse aus Windenergie oder aus dem Stromnetz & Brennstoffzellen-PKW ca. 29% bzw. 12%. Zum Vergleich: Die Kette Erdöl&;Benzin&;PKW liegt bei ca. 20% Wirkungsgrad.

Zwar ist der Preis für Brennstoffzellen in den letzten Jahren kontinuierlich gefallen, sie sind aber im Vergleich zu anderen Antriebskonzepten recht teuer. Brennstoffzellen werden vor allem in Bereichen eingesetzt, in denen der Preis keine Rolle spielt wie zum Beispiel bei der Weltraumforschung oder Militärtechnik.

Fazit
Am Ende dieses Projektes bin ich zu dem Schluss gekommen, dass die Brennstoffzelle eine hochinteressante Technologie ist, die sich wahrscheinlich in Zukunft in immer mehr Bereichen durchsetzten wird. Dies kann aber nur geschehen, wenn sowohl der Preis für die Brennstoffzelle als auch der Kostenaufwand zur Herstellung von Wasserstoff sinkt. Aus diesem Grund werden von der Regierung Fördermittel in Höhe von 500 Millionen Euro zur Verfügung gestellt, mit deren Hilfe ein weiterer Schritt in die richtige Richtung getan werden soll. Es wird jedoch noch einige Jahre, dauern bis sich die Brennstoffzellentechnologie durchsetzen wird. Aber selbst wenn die momentanen Probleme bis dahin gelöst wären, käme es zu einem neuen schwerwiegenden Problem, denn mit der steigenden Popularität der Wasserstofftechnologie würde auch der Wasserstoffverbrauch erheblich steigen. Es sind zwar Solar-Wasserstoff-Projekte geplant aber diese müssten in Ländern mit hoher Sonneneinstrahlung verwirklicht werden. Ein Ziel der westlichen Regierung ist die Unabhängigkeit vom Öl und somit eine Unabhängigkeit von Kartellen wie der OPEC (Organisation Erdöl exportierender Länder). Jedoch wird man wiederum von Ländern mit hoher Sonneneinstrahlung abhängig.

Meiner Meinung nach liegt das Problem weniger in der Technik zur Herstellung und Funktionsweise einer Brennstoffzelle,sondern viel mehr in einer kostengünstigen und umweltfreundlichen Herstellung des Wasserstoffes, sowohl einer flächendeckenden, kontinuierlichen Wasserstoffversorgung.

Quellenangaben
Einfach Fragen wenn ihr sie braucht kann sie euch dann posten. Hab auch noch eine passende Powerpoint Präsentation dazu. Meldet euch einfach

Mfg Christianson

Hi Christianson! ich wollt dich mal nach der Powerpointpräsentation fragen, wenn du sie noch hast. Ich muss nämlich ein Refarat über Brennstoffzellen vortragen und da wäre eine Powerpointpräsentation sehr nützlich. Ich konnte dir keine pn schreiben deshalb hab ichs hier reingeschrieben. Meld dich mal bitte bei mir! Danke im Vorraus.

Ich wollte mal fragen, ob du mir deine Präsentation und die Quellenangaben schicken würdest, weil das Konzept , dass online ist, gefällt mir total gut. Würde mich sehr über eine Antwort freuen!

Hey
dein Referat, das du online gestellt hast, gefällt mir echt gut. Da ich noch vor dem Zeugnis auch ein kurzes Referat über die Brennstoffzelle halten muss und eine gute Powerpoint Präsentation dazu echt klasse wär, wollt ich dich mal nach deiner Powerpoint Präsentation fragen. Wär klasse wenn du dich melden würdest. gruß caro

Also für alle, die ein Referat über die Brennstoffzelle halten müssen oder wollen, habe ich hier kostenloses Infomaterial zum Bestellen gefunden, wenn der Tipp noch nicht bekannt ist. Klick

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Mir hat dein Referat über die Sauerstoff-Wasserstoff Brennzelle gefallen würdest du mir deine Powerpoint Präsentation zur Verfügung stellen? Ich werde sie natürlich nicht 1zu1 übernehmen sondern als Leitfaden verwenden.