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Das Klären der Frage nach der effizientesten galvanischen Zelle benötigt es, den Begriff der Effizienz zu definieren.

Effizienz lässt sich in vielerlei Hinsichten verschieden definieren. Dabei treten unterschiedliche Kategorien auf. Die folgenden Recherchen basieren dann je nachdem auf die Kategorien, welche man eher präferiert.

Unter diese Kategorien fallen die Spannung, die Preiswertigkeit als auch der Umweltaspekt.

Unserer Auffassung nach spielen die Preiswertigkeit der zu verbrauchenden Materialien sowie deren häufiges Auftreten in der Umwelt eine große Rolle. Teure Materialien sprechen schwer für eine optimale galvanische Zelle.

Der Umweltaspekt spielt unserer Meinung nach ebenso eine sehr prominente Rolle. Deshalb ist es wichtig zu beachten, welche Produkte nach der Reaktion entstehen und wie diese zu Entsorgen sind.

Die auftretende Spannung der Zelle ist ebenfalls von Relevanz. Je höher die Spannung ist, desto besser.

Wir sind uns bewusst, dass nicht jeder dieser Aspekte zu vollem Betrag zutreffen kann.

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Die Brennstoffzelle - Was ist das eigentlich?

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Die Brennstoffzelle - Was ist das eigentlich?

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Eine Brennstoffzelle bezeichnet man eine galvanische Zelle, bei welcher das Reduktionsmittel Wasserstoff sowie das Oxidationsmittel Sauerstoff kontinuierlich als energieliefernde Stoffe zugeführt werden.

Das Besondere an dieser Zelle ist, dass durch die Redoxreaktion von Wasserstoff und Sauerstoff ohne jegliche Umwege chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Umwege meinen hier, dass bspw. bei einer normalen Verbrennung erst thermische Energie frei wird, welche dann in mechanische Arbeit umgewandelt wird und man erst daraus die elektrische Energie gewinnt. Dies hat einerseits den Vorteil, dass während der Reaktion weniger Energieverluste stattfinden als wie bei einer üblichen Verbrennung.

Man könnte die Brennstoffzelle als eine Redoxreaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff bezeichnen, welche auf ihre einzelnen Schritte unterteilt wird.

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Das Prinzip der Brennstoffzelle kann mit folgender Reaktionsgleichung beschrieben werden:

Wasserstoff und Sauerstoff reagieren zu Wasser

Ox.: 2 H₂ → 4 H+ + 4 e-

Red.: 4 H+ + 4 e- + O2 → 2 H₂O

RedOx.: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

Die Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, der Anode und Kathode sowie einem Elektrolyten. Sie sind getrennt durch die poröse Trennschicht, diese ist Gasundurchlässig und sorgt für eine getrennte Leitung der Ionen und Elektronen. Diese poröse Trennschicht wird auch proton exchange membrane (daher PEM-Brennstoffzelle; auf Deutsch: Protonen Austausch Membran) genannt, da sie nur Protonen und keine Elektronen durchlässt. Der Wasserstoff wird an der Anode zugeführt, oxidiert an dieser und wird in Elektronen und Wasserstoff-Protonen gespalten. Zwischen Anode und Kathode baut sich nun eine Spannung über den Elektronenleiter auf, da die Elektronen nicht durch die Membran durchdringen können und daher einen anderen Weg zum Elektronenakzeptor aufnehmen. Die Protonen wandern zur Kathode aufgrund der entstehenden Anziehungskraft zwischen positiv und negativ. An der Kathode reduzieren sich die Sauerstoffmoleküle mit den Elektronen aus dem Elektronenleiter. Dadurch entstehen zweifach negativ geladene Sauerstoff-Ionen, welche mit den nun angekommenen Wasserstoff-Protonen zu Wasser reagieren.

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Ja, denn die Brennstoffzelle wird bereits entwickelt und verwendet, beispielsweise wird sie zur Stromversorgung in Gebäuden installiert, als auch in Bussen und Personenkraftwagen. Außerdem soll sie in Zukunft auch für Mobiltelefone ihre Marktreife erreichen.

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UZelle= E⁰(Elektronenakzeptor) – E⁰(Elektronendonator)

UZelle = E⁰(O₂/O²⁻) – E⁰(H₂/H⁺)

UZelle ≈ E⁰(1,23 V) – E⁰(0 V)

UZelle ≈ 1,23 V

Theoretisch betrachtet würde die Brennstoffzelle eine Spannung von ca. 1,23 V aufbringen, in der Praxis werden jedoch aufgrund von Spannungsverlusten durch z.B. Reaktionshemmungen nur Spannungen zwischen 0,6 V – 0,9 V erreicht.

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Als Beispiel lassen sich Brennstoffzellheizungen nehmen.

Einstiegspreis von etwa 23.000 € + Zubehör und Einbau -> Komplettpaket min.  30.000 € - 35.000 € einzurechnen

Wohingegen eine Gasheizung mit Montage und co. um die 10.000 €  - 12.000 € kosten.

Demnach lässt sich schließen, dass Brennstoffzellen relativ teuer sind.

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Die Brennstoffzelle wird auch als „kalte Verbrennung“ beschrieben, da dort nichts angezündet wird, was positiv der Umwelt gegenüber wirkt. Dazu ist Wasserstoff umweltschonend und hat einen hohen Wirkungsgrad. Brennstoffzellen sind Wandler und Energiespeicher. Gleichstrom wird in Wechselstrom umgewandelt und so zum Verbrauch nutzbar gemacht. Die Wärme wird über einen Wärmetauscher an einen Pufferspeicher abgegeben und zur Erwärmung von Trinkwasserhalskreisen genutzt.

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Vor- und Nachteile der PEM-Brennstoffzelle

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Vor- und Nachteile der PEM-Brennstoffzelle

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Vorteile:

·        Umweltfreundlich, da nur Wasser entsteht

·        Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie ohne Umwege

·        Keine Emissionen würden beim Fahren entstehen

·        Wirkungsgrad liegt bei 60%

·        Ausgangsstoffe sind theoretisch unbegrenzt (Elektrolyse von Wasser)

·        Geräusch- und Geruchlos

Nachteile:

·        Hohe Anschaffungskosten, also zu teuer

·        Wasserstoff ist hochexplosiv und durch den hohen Druck schwer zu lagern

·        Hoher Materialaufwand

·        Elektrolyse von Wasser sehr energieaufwendig

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Ein kurzes Erklärvideo zum Ablauf der Reaktion.

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Inwiefern lässt sich diese Zelle umsetzen?

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Inwiefern lässt sich diese Zelle umsetzen?

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Die Brennstoffzelle bietet eine gute Zukunftsfähigkeit durch die Idee von einer möglichst unabhängigen Versorgung.

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Die Brennstoffzellen ist eine deutsche Erfindung. 1838 entdeckte der deutsche Chemiker Christian Friedrich Schönbein, dass als er zwei in Salzsäure eingelegte Platindrähte mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff umspülte, zwischen den Drähten eine elektrische Energie und Wärme entstand.

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Aus den Ergebnissen her lässt sich schließen, dass Brennstoffzellen nicht die günstigste Art der Energiegewinnung bieten. Trotz alle dem vertreten sie ein großes Zukunftspotenzial, da die verwendeten Stoffe das für die Umwelt harmloseste Produkt herstellen - nämlich Wasser. Wie auch schon erwähnt können die Kategorien unserer Effizienz-Definition nicht immer vollständig zutreffen, jedoch ist uns in diesem Fall der Umweltaspekt wichtiger als die Preiswertigkeit.