Brennstoffzelle | Aufbau und Funktion - Einfache Erklärung
Ingenieurskunst - Patrick Sauter
https://www.youtube.com/watch?v=8ylDmAVqNb0

Transkript (automatisch erstellt)

0:00 Bei der Elektromobilität im PKW-Bereich war es in der Forschung lange Zeit ein intensiv [musik] diskutiertes Thema, ob
0:07 die elektrische Energie aus einer Batterie oder Wasserstoff und einer Brennstoffzelle kommt. Für PKW ist
0:13 inzwischen relativ klar, dass es Richtung Batterie geht. In Anwendung mit deutlich längeren Betriebsdauern wie
0:20 Bussen, LKW oder Schiffen ist das noch nicht so klar. Und auch in stationären Anwendungen kommen Brennstoffzellen zum
0:26 Einsatz. [musik] Wie eine Brennstoffzelle aufgebaut ist und funktioniert, erfahrt ihr in diesem
0:31 Video. Zudem erfahrt ihr, wie durch das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle [musik]
0:36 auch die Speicherproblematik der Energiewende im Bereich der Langzeitspeicher gelöst werden könnte.
0:41 In einer Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser und dabei wird Energie in Form von
0:47 elektrischer Energie [musik] frei. Die Zelle ist wie folgt aufgebaut. Sie besteht aus zwei Elektroden, zwischen
0:54 denen im Betrieb eine Spannung anliegt, über die ein Verbraucher, beispielsweise ein Elektromotor, betrieben werden kann.
1:00 Zwischen den beiden Elektroden befindet sich ein Elektrolyt und eine Membran in der Mitte, die für Wasserstoff und
1:07 Sauerstoff undurchlässig ist. Ionen dagegen können durch die Membran auf die andere Seite gelangen. An der negativen
1:14 Elektrode wird Wasserstoff zugeführt und die Wasserstoffmoleküle geben zwei Elektronen ab und werden zu zwei
1:21 Wasserstoffionen. Diese H+ Ion können durch die Membran zur anderen Elektrode wandern. An dieser Elektrode wird
1:29 Sauerstoff zugeführt und dieser reagiert mit dem Wasserstoffon und zwei Elektronen zu Wasser. Die Elektronen
1:36 wandern über den Verbraucher vom Minuspol zum Pluspol, wodurch ein Strom fließt. Wird an der negativen Elektrode
1:43 stets neuer Wasserstoff und an der positiven Elektrode neuer Sauerstoff hinzugefügt, kann ein Verbraucher wie
1:49 der Elektromotor dauerhaft betrieben werden. Die Spannung an der Zelle beträgt dabei 1,2 Volt im Leerlauf,
1:56 solange also kein Strom fließt und etwas weniger in der Regel meist knapp unter 1 Volt, wenn im Betrieb dann ein Strom
2:03 fließt. Es gibt unterschiedliche Arten von Brennstoffzellen, die sich durch die Materialien der Elektroden, der Membran
2:10 und dem Elektrolyten [musik] unterscheiden. Mit manchen Brennstoffzellen ist es auch möglich,
2:15 statt Wasserstoff Methan als Brennstoff zu verwenden. Dann reagiert Methan, also CH4, zusammen mit Sauerstoff zu Wasser
2:24 und zusätzlich entsteht dabei dann noch Kohlenstoffdioxid, also CO2. Doch sowohl Methan als auch Wasserstoff sind
2:31 Brennstoffe, die theoretisch auch direkt in einem Gasmotor verbrannt werden können und so ohne den Umweg über eine
2:38 Brennstoffzelle und einen Elektromotor in Bewegung umgesetzt werden können. Zudem kommt in der Elektromobilität
2:45 immer mehr die Litium Ionbatterie zum Einsatz, die eine Alternative zur Brennstoffzelle darstellt. Wo sind also
2:52 die Unterschiede dieser Technologien und worin bestehen die vor und Nachteile der Brennstoffzelle? Im Vergleich zum Motor
2:58 erzeugt die Brennstoffzelle elektrische Energie. Diese kann für alle elektrischen Verbraucher genutzt werden.
3:04 Man benötigt also in mobilen Anwendung auch keinen Generator. In diesem Zusammenhang häufig auch Lichtmaschine
3:10 genannt, für die elektrischen Verbraucher. Der größte Vorteil im Vergleich zu Gasmotoren ist die
3:15 Effizienz. Währendurch ein Verbrennungsmotor nur Wirkungsgrade von 40 bis maximal 50% erreicht werden, kann
3:22 eine Brennstoffzelle Wirkungsgrade von 60 bis 70% erreichen. Zusätzlich ist in einigen Anwendungen ein Vorteil, dass
3:30 Brennstoffzellen sehr leise sind im Vergleich zu Motoren. Nachteile sind die relativ aufwendige Speicherung von
3:37 Wasserstoff im Vergleich zu anderen Brennstoffen. Außerdem sind Brennstoffzellen relativ teuer. Im
3:43 Vergleich zu Batterien, die ebenfalls elektrische Energie liefern, ist ein Vorteil der Brennstoffzelle die
3:48 Möglichkeit, den Speicher [musik] des Brennstoffs von der Zelle zu trennen. Die Kosten sind dadurch vor allem von
3:55 der notwendigen Leistung, nicht aber von der speicherbaren Energiemenge abhängig, ähnlich wie bei einem Motor mit
4:02 Treibstofftank. Nachteil der Brennstoffzelle ist auch hier die aufwendige Speicherung des Wasserstoffs
4:08 und die damit verbundenen Gefahren oder Kosten. [räuspern] Zusätzlich ist auch die Effizienz hier ein Nachteil. Zwar
4:15 ist die Umwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie relativ effizient, aber auch bei der Erzeugung von
4:21 Wasserstoff fallen Verluste an. Dadurch ist eine Litiumatterie, wenn es um die Speicherung von elektrischer Energie
4:27 geht, deutlich effizienter. Durch die voren Nachteile ergeben sich unterschiedliche Anwendungsgebiete für
4:33 Brennstoffzellen. Zum einen werden Brennstoffzellen als Brennstoffzellenheizung eingesetzt.
4:39 Dabei wird sowohl Strom für den Haushalt oder Einspeisung ins Netz als auch Wärme erzeugt mit einer hohen Gesamteffizienz
4:47 von bis zu 95%. Neben den stationären Anwendungen sind auch mobile Anwendungen für Brennstoffzellen interessant. Durch
4:54 die Unabhängigkeit von Leistung und gespeicherter Energie sind hier vor allem Anwendungen, in denen die
5:00 Brennstoffzelle lange am Stück betrieben wird, wie in Bussen, LKWs oder Schiffen. Interessant. Auch in U-Booten sind
5:07 Brennstoffzellen interessant, da Brennstoffzellen deutlich leiser sind als Verbrennungsmotoren.
5:13 Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle kann auch umgekehrt werden und mit Hilfe einer Spannung und Wasser so Wasserstoff
5:19 und Sauerstoff erzeugt werden. So [musik] kann elektrische Energie in Wasserstoff umgewandelt und gespeichert
5:25 werden. Das könnte in Zukunft ein essentieller Baustein der Energiewende werden. Wenn du mehr über das sogenannte
5:32 Power to Guess erfahren willst, schau dir jetzt dieses Video an. Zudem findest du hier ein Video über Litium
5:38 Ionenbatterien. Falls dir das Video gefallen hat, lass jetzt noch ein Like da und abonniere den Kanal.