Brennstoffzellen
Mit der Brennstoffzelle ist man bereits auf den Mond geflogen; mit geräuschfreiem Antrieb von Elektromotoren in die Tiefe abgetaucht. Brennstoffzellen werden bereits im Automobilsektor eingesetzt. Sie hat bereits Einzug gehalten bei Heizungssystemen und Notstromaggregaten.In einer Brennstoffzelle wird als Brennstoff das chemische Element Wasserstoff eingesetzt. Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff und Wasser, dabei wird elektrischer Strom erzeugt. Wasser und Wärme sind die einzigen Nebenprodukte.
Brennstoffzelle von Siemens
Für Heizsysteme wird diese junge Technologie weltweit seit Mitte der neunziger Jahre angewandt. Die ersten Kleinkraftwerke nahmen in Japan und Holland ihren Betrieb auf, wobei die Häuser gleichzeitig mit Strom und Wärme versorgt werden.
Wasserstoff verursacht im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen geringe Schadstoffemissionen. Wasserstoff kann in gasförmigem, flüssigem oder chemisch gebundenem Zustand gespeichert werden. Die Brennstoffzellen-Anlagen werden stationär oder mobil genutzt und sind geräuscharm.
Die Energieform hat auch ihre Nachteile: Wasserstoff ist hochexplosiv, wenn es mit Sauerstoff in Berührung kommt. Im Gegenteil zum billigen fossilen Brennstoff ist die Membrantechnologie kostspielig und für die Produktion von Wasserstoff fehlt die Infrastruktur.
Was ist Wasserstoff eigentlich?
Wasserstoff hat das chemische Zeichen H und ist das erste Element im Periodensystem. Als Wasserstoffgas verbindet es sich zu H2 Molekühlen. Wasserstoff kommt in der Natur nicht ungebunden vor. Die grössten Mengen sind im Wasser H2O gebunden. Aber auch in allen organischen Verbindungen ist Wasserstoff in Verbindung mit Kohlenstoff enthalten. Wasserstoff-Gas selbst ist unsichtbar und völlig geruchlos. Es verbrennt ebenfalls geruchlos und als Abgas entsteht mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff nichts anderes als Wasser. Da in unserer Luft auch Stickstoff enthalten ist, entstehen wie bei jeder Verbrennung geringe Mengen von Stickoxiden.
Den Grundstein für die heutige Brennstoffzellentechnik legte Sir William Grove bereits 1839.
Sir William Grove
Bei seinem Versuch tauchte er Platinelektroden mit dem unteren Teil in einen Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure ein. In einem Glaszylinder einer Gaszelle befand sich Wasserstoff, im anderen Sauerstoff. Dies reichte, um eine Spannung von etwa einem Volt zu erzeugen.
Versuchsaufbau von Grove (Foto SCIFI/f-cell)
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| Eine übliche, relativ techniknahe Darstellung der Brennstoffzelle: Die (von links) zugeführten Wasserstoffmoleküle werden an der Anode zu positiv geladenen Wasserstoffionen oxidiert, d.h. sie geben Elektronen ab. Die Wasserstoffionen (H+) wandern durch die ionendurchlässige mittlere Elektrolytschicht nach rechts zur Kathode. An der Kathode (rechts) reagieren die Wasserstoffionen mit dem von rechts zugeführten Sauerstoff und den zugeführten Elektronen zu Wasser. Werden Anode und Kathode durch einen elektrischen Leiter und einen Verbraucher miteinander verbunden, fliessen die Elektronen als elektrischer Strom (oben) von der Anode zur Kathode (die Darstellung betrifft den PEM-Typ. Bild und Legende lehnen sich an ein im Internet mehrfach gefundenes Muster an). | ||
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| Eine abstraktere, auf den Redox-Prozess zentrierte Darstellung der Brennstoffzelle (PEM-Typ): Die negativ geladenen Elektronen der Wasserstoffatome (H, links im Bild) "zieht es" zu den Sauerstoffatomen (O, rechts) hinüber (und zwar deshalb, weil sie dort tiefer und stabiler ins Atom eingebunden werden). Da die H-Atome und die O-Atome durch die mittlere Trennschicht voneinander ferngehalten werden, nehmen die Elektronen den Umweg "aussen herum". Sie durchfliessen als "Strom" eine elektrisch leitende Verbindung und können unterwegs z.B. in einem Elektromotor Arbeit leisten (oben, von links nach rechts). Durch den Wechsel der Elektronen werden die H-Atome (links) zu positiv geladenen Ionen, und die O-Atome (rechts) zu negativ geladenen Ionen. Diese können nun zusammenfinden und sich zu Wassermolekülen vereinigen, denn die Trennschicht lässt Wasserstoff in ionisierter Form durch (unten, von links nach rechts). | ||
Literatur
Aebli. H. (1998): Zwölf Grundformen des Lehrens. Stuttgart: Klett-Cotta.
Aeschbacher, U. (1994): Verstehen als operatorische Beweglichkeit und Einsicht. In K. Reusser & M. Reusser-Weyeneth (Hrsg.) (1994). Verstehen. Psychologischer Prozess und didaktische Aufgabe. Bern: Huber.
Kintsch, W. (1998): Comprehension. Cambridge: University Press.
Lewalter, D. (1997): Lernen mit Bildern und Animationen. Münster: Waxmann.
Schnotz, W. & Bannert, M. (2003): Construction and interference in learning from multiple representation. Learning and Instruction,13, 141-156.
Quelle: Poweron
