The Spirit of the Future
Igeawagu - Im Fokus der Zeiten

[24.01.2002] Info von Rolf Kepler:

Alexander Weß(alex@duhsofa.de) & Tim Krueger(tim@duhsofa.de) schrieben mir:
Wir sind/waren Schüler der Friedensschule in Münster und haben zusammen an Jugend Forscht teilgenommen! Wir haben ein duHSoFa gebaut! (auf Deutsch: dualbetriebenes Wasserstoff(H)-Solar-Fahrzeug - ein Modell-Fahrzeug, das mit reiner Sonnenkraft(Solarzellen), reinem Wasserstoff und Brennstoffzellen, fährt oder auch nur mit Wasserstoff, der durch überschüssiger Solar-Energie erzeugt wurde, fährt!)

Wir haben unsere Arbeit auch im Internet ausgestellt: www.duhsofa.de Außerdem waren wir schon auf der EXPO, der internationalen Bildungsmesse(didacta), der internationalen Dentalmesse und weiteren Veranstaltungen! Leider sind die Materialien nicht gerade billig! Jetzt kommt meine Bitte:
Ich bzw. Wir fänden es gut wenn sie uns mal in Ihren Rundbriefen erwähnen würden! Ein bisschen über unser Projekt schreiben würden, Kontaktadressen angeben würden und auch evtl. nach Sponsoren fragen könnten! Dann könnten wir unsere Arbeit fortsetzen und noch verbessern!

Nun ein Auszug aus unserer Arbeit:
1. Wie alles begann Alles fing damit an, dass wir ein eckiges Kästchen aus Acryl-Glas bei unserem Lehrer gesehen haben und gefragt haben, was es damit auf sich hat. Er sagte, dass es eine Brennstoffzelle sei. Wir haben in Lexika nachgeschlagen, was Brennstoffzellen sind. Wir kamen zu dem Ergebnis, dass es ein Stromerzeuger ist, der aus Wasserstoff und Luft Gleichstrom erzeugt. Weil der einzige Rückstand der Zelle Wasser ist, ist sie umweltfreundlich und der Energieträger der Zukunft. Deshalb wollten wir irgendetwas mit der Brennstoffzelle bauen und entschieden uns ein Modellauto zu konstruieren, das nur mit Wasserstoff fährt. Dieser kam anfangs aus einem Metallhydritspeicher, war aber sehr teuer. So entschieden wir uns dafür, den Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser selber zu machen. Den benötigten Strom nehmen wir aus Sonnenenergie. So kann man die Sonnenenergie umweltfreundlich speichern, ohne Akkus zu benutzen.
Wir versuchten, diese Brennstoffzelle in ein Modellauto einzubauen, dass jetzt mit Wasserstoff fahren soll. Um aber auch beim Bau unseres Modells den Umweltgedanken radikal zu verwirklichen, beschlossen wir unser Modell, soweit es möglich war, aus schon mal verwendeten (recyceltem) Material zu bauen. Wir haben zum Beispiel als Räder Motoren von alten Festplatten benutzt.
Die Sonnenenergie soll in Form von Wasserstoff gespeichert werden, so dass sie jeder Zeit abrufbar ist. Ein Mitschüler unserer Schule gab uns den Tipp, Wasserstoff in Feuersteinen zu speichern. Doch um Wasserstoff in Feuersteinen zu speichern muss man mindestens 500°C haben, und die kann man nicht so einfach mit Sonnenenergie erzeugen. Dann kam uns die Idee, das Gas in Kohlenstoff zu speichern. Diese Idee stellte sich als nicht praktikabel heraus. Wir beschlossen den Wasserstoff ganz einfach in einem Plexiglasbehälter zu speichern. Wir haben lange experimentiert und ausprobiert, bis wir zu der Lösung gekommen sind, dass wir den Wasserstoff einfach direkt in der Elektrolysezelle speichern könnten (siehe Zeichnung der Elektrolysezelle).

Wie funktioniert unser dualbetriebenes Wasserstoff-Solar-Fahrzeug?
2.1 Wie ist unser Fahrzeug aufgebaut? Wir haben uns als erstes gefragt, woraus wir das Auto bauen sollten. Aber diese Frage war nicht die schwerste. Das Gestell haben wir aus Eisenschienen zusammen geschraubt und als Boden ein Holzbrettchen eingelegt. Als Räder haben wir 4 auseinander genommene Kugelgelagerte Festplattenmotoren genommen, um nicht so eine große Reibungskraft zu haben. Wir hatten zuerst einen billigen Motor. Als wir aber von der Testphase mit Batterien zur Brennstoffzelle wechselten, merkten wir, dass er viel zu viel Strom benötigte. Wir mussten alles noch einmal auseinander nehmen, weil der andere Motor größer war. Das lief auch, aber als wir unseren Wasserstoff durch Sonnenenergie selber erzeugen wollten, merkten wir, dass der Motor immer noch zuviel Strom brauchte. Wir sind zu unserem Lehrer gegangen, dem wir alles berichtet haben. Er wusste erst auch nicht, was wir machen sollten, aber gab uns dann nach einiger Zeit einen Grillmotor, der für eine Umdrehung ungefähr 15 Sekunden braucht, und einen teuren, guten Motor, der sehr wenig Strom benötigte. Wir entschieden uns für den guten Motor. Auf einmal war der Gastank leer und das Auffüllen war zu teuer, und dauert einige Zeit. Wir haben uns überlegt, wie wir dies umgehen könnten. Wir haben uns überlegt, den Wasserstoff selber zu produzieren. Wir haben erst in Büchern nachgelesen, wie so was überhaupt gemacht wird. Die Elektrolyse war die einfachste Methode. Wir haben uns eine kleine Elektrolysezelle aus drei Filmröhrchen zusammengeklebt. Als Elektroden haben wir Messingschrauben genommen und als Elektrolyt Salzwasser. Wir haben die Elektrolysezelle ausprobiert, aber das Wasser ist grün geworden, und es stank. Wir fragten unseren Chemielehrer, was da passiert ist. Der sagte, dass kein Wasserstoff, sondern Chlor entstanden ist. Daraufhin hat uns unser Chemielehrer leihweise zwei ausgesonderte Platinelektroden gegeben und uns den Tipp mit stark verdünnter Schwefelsäure als Elektrolyt gegeben. Wir haben noch mal eine Elektrolysezelle gebaut, bei der das mittlere Röhrchen doppelt so hoch ist wie bei unserer ersten, so dass wir in den beiden äußeren Röhrchen einen doppelt so hohen Druck haben. Diese Zelle benutzen wir jetzt immer noch. Sie wurde nicht mehr grün, und stank auch nicht mehr. Wir erzeugen jetzt Wasserstoff, den wir auch gebrauchen können. Den benötigten Strom besorgen wir uns durch 3 Solarzellen, so dass wir keinen zusätzlichen Strom brauchen. Mit diesem Selbstproduzierten Wasserstoff betreiben wir jetzt unsere Brennstoffzelle. Die Elektrolysezelle ist fest auf unserem Modell aufgebaut, so dass wir den Wasserstoff direkt an der Brennstoffzelle zur Verfügung haben, ohne einen Extra-Speicher zu benutzen, der dann aufgefüllt werden müsste. Den produzierten Wasserstoff können wir direkt in der Elektrolysezelle zwischenspeichern. Deshalb haben wir auch die Solarzellen, die zusammen 13 V und 300 mA an dem Fahrzeug festgebaut. Der Strom der Solarzelle wird über Goldcaps zur Pufferung zur Elektrolysezelle geleitet. Außer dem für die Elektrolyse benötigten

Wassers versorgt das Mobil sich jetzt selber mit allem nötigen.
2.2 Womit arbeitet unser Fahrzeug?
2.2.1 Die Solarzelle
Das Herzstück eines Solarmoduls ist die Solarzelle. Die Solarzelle ist dazu da, um Energie aus Sonnenlicht zu gewinnen. Die Solarzelle besteht aus Silizium. Dieser Stoff wird aus Quarzsand gewonnen. Der Quarzsand wird geschmolzen und zu quaderförmigen oder zylinderförmigen Rohsiliziumblöcken geformt. Sie werden dann in Scheiben zersägt. Die Scheiben nennt man Wafer. Durch gezieltes zusetzten von Ionen an der Ober- und Unterseite und durch das Anbringen von Silberbahnen entsteht dann eine funktionsfähige Solarzelle, an denen jetzt schon kleine Stromverbraucher angeschlossen werden können. Wenn nun Energiereiches Sonnenlicht (UV-Strahlung und Infrarot-Strahlung = Photonen) auf die Solarzelle fällt, werden die Elektronen im Siliziumkristallgitter in Bewegung versetzt und kursieren durch den Stromverbraucher. Wir haben damit Gleichstrom und Gleichspannung erzeugt. Je nach Art der kristallinen Struktur unterscheidet man zwischen mono-, polykristallinen und amorphen Solarzellen. Die monokristalline Solarzelle ist fast schwarz und hat sehr wenige Fremdatome. Der Wirkungsgrad ist am höchsten und liegt zwischen 13-16%. Die polykristalline Solarzelle hat eine bläuliche Farbe und hat einen geringeren Reinheitsgrad. Deshalb liegt der schlechtere Wirkungsgrad bei 12-13%. In Taschenrechnern oder Solar-Armbanduhren ist die amorphe Solarzelle untergebracht. Jeder kennt sie, und ihre Farbe ist dunkelbraun. Sie hat einen sehr schwachen Reinheitsgrad und kein wiederkehrendes Kristallgitter. Ihr Wirkungsgrad liegt bei etwa 7%. Auch unsere Solarzellen sind von der Herstellerfirma ausgesondert worden. |

.2.2 Die Elektrolysezelle
In einer Elektrolysezelle findet eine durch den elektrischen Strom erzwungene Redoxreaktion statt. Dabei wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt, die in den Elektrolyseprodukten Wasserstoff und Sauerstoff gespeichert wird. Bei der Elektrolyse tauchen zwei Elektroden, die an eine Gleichstrom-Spannungsquelle, die bei uns durch die Solarzellen etwa 13 Volt und 300mA oder – umschaltbar – 5 Volt und 1200mA beträgt, angeschlossen sind, in Schwefelsäure eintaucht. Im Wasser liegt ein geringer Anteil der Wasserteilchen (H2O) in Form von Ionen vor, einmal dem Wasserstoff-Ion (H+) und andererseits dem OH--Ion. Diese Ionen werden von der jeweils entgegengesetzt geladenen Elektrode angezogen: An der Kathode - der negativen Elektrode - wird an das H+-Ion ein Elektron abgegeben, womit zwischenzeitlich ein Wasserstoff-Atom entsteht. Dieses verbindet sich schnell mit einem weiteren Wasserstoffatom zu einem Wasserstoffmolekül H2; viele Wasserstoffmoleküle steigen dann als Gasblasen an der Elektrode auf und können gesammelt werden. An der Anode - der positiv geladenen Elektrode - werden, vereinfacht dargestellt, zwei OH--Ionen zwei Elektronen abgenommen und zu einem Sauerstoffatom und ein Wassermolekül umstrukturiert. Zwei Sauerstoffatome bilden wiederum ein Sauerstoffmolekül, welches dann im Verbund mit anderen Sauerstoffmolekülen als Gasblase an der Anode aufsteigt, dort ebenfalls gesammelt werden kann. Dieses Elektrolyseverfahren, welches in der technischen Praxis wesentlich komplexer wird, stellt die Schlüsselrolle bei der Herstellung des Wasserstoffs in einer Wasserstoffwirtschaft dar. Die technischen Komplizierungen sind die geeignete Wahl des Elektrodenmaterials, des Elektrolyten und die Wahl der richtigen Betriebsbedingungen. Der Wirkungsgrad der Elektrolyse des Wassers liegt in optimierten Anlagen bei etwa 60-80%, je nach den Ausführungen der Elektrolysezellen und den

physikalisch-chemischen Bedingungen der Elektrolyse.
2.2.3 Die Brennstoffzelle
2.2.3.1 Geschichte
Im Heft StromBASISWISSEN erfuhren wir, dass Sir William Grove der erste war, der aus Wasserstoff und Sauerstoff Elektrische Energie gewonnen hat. Er hat 1839 aus 4 Glasbehältern, 4 Sauerstoffumspülte Platinelektroden, 4 Wasserstoffumspülte Platinelektroden und Schwefelsäure die erste funktionstüchtige Brennstoffzelle konstruiert. Durch die Entwicklung des Siemens-Generators im Jahre 1866 wurde sie aber schon wieder bedeutungslos. In den 60er Jahren dieses Jahrhunderts ist sie aber schon wiedergeboren worden. Sie wurde und wird auch heute noch für die geräuschlose Stromversorgung von U-Booten und für die zuverlässige Umwandlung von Wasserstoff in Elektrizität bei gleichzeitiger Erzeugung von Trinkwasser in Raumschiffen verwendet. Heutzutage ist die Brennstoffzellentechnologie bis zur Serienreife weiterentwickelt und wird sogar schon bei Blockheizkraftwerken eingesetzt, wobei moderne Kraftwerke nur gut 50% der chemischen Energie in Elektrizität umwandeln. Die Brennstoffzellen wandeln ca. 86% der Energie in elektrische Energie um.
Eine weitere Anwendung der Brennstoffzellen ist der Antrieb von Autos. Bei DaimlerChrysler, BMW und Opel wurde in der Vergangenheit an einem Antrieb von Autos mit Brennstoffzellen geforscht, wobei es ja schon Autos mit Wasserstoffmotoren gab.
Bei Ottomotoren erreichen nur 28% der eingesetzten Energie das Getriebe, bei Brennstoffzellen ist das viel höher. Der Nachteil der Wasserstoffmotoren war aber der große Gastank.
Das Problem mit dem großen Gastanks wurde mit Methanol gelöst. Das Methanol wird in einem Reformer zu Wasserstoff umgewandelt. So kann man den benötigten Wasserstoff in Form von Methanol an jeder Tankstelle getankt werden.

2.2.3.2 Definition
Eine Brennstoffzelle ist wie eine Batterie mit einem galvanischen Element verwandt. Mit der Elektrolyse ist sie aber noch mehr verwandt, weil sie genau umgekehrt funktioniert. Auf dem Bild sieht man die erste Brennstoffzelle, die genauso aufgebaut ist wie eine Elektrolyse. So ist eine Brennstoffzelle eine elektrochemische Zelle, die in der Lage ist, die chemisch gebundene Energie eines Energieträgers mit sehr hohem Wirkungsgrad direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Brennstoffzellen sind also Energiewandler. In der Zelle stellt der Brennstoff (Reaktant) mit einem Oxydanten durch Oxydation seine Reaktionsenergie zur Verfügung. In der Brennstoffzelle spricht man von einer „kalten Verbrennung“, weil der Vorgang auch bei niedriger Temperatur stattfinden kann. Ein besonderer Vorteil von Brennstoffzellen ist, dass zur Energieerzeugung keine beweglichen Teile erforderlich sind. Nicht nur wegen der sehr guten Energieausnutzung sind Brennstoffzellen die Energielieferanten der Zukunft, bei Brennstoffzellen entsteht aus chemischer Energie direkt elektrische Energie - der Wirkungsgrad ist unschlagbar hoch: Die Ausgangsstoffe Wasserstoff und Sauerstoff stehen praktisch unbegrenzt zur Verfügung. Auch die Energiegewinnung selbst kann umweltfreundlicher

nicht sein, denn einziges Abfallprodukt der Zelle ist reines Wasser
2.2.3.3 Funktion
… 3 Beispiele zur Nutzung
3.1 Einsatz im Kfz-Bereich
Die Brennstoffzellen sind inzwischen schon bis zur Serienreife weiterentwickelt worden. Die großen Auto-Konzerne, wie BMW, DaimlerChrysler, und fast alle anderen Auto-Hersteller forschen schon einige Zeit an umweltfreundlichen Antrieben für Autos. Die meisten erforschen aber die Brennstoffzellen-Technologien. In einem Zeitungsbericht haben wir auch gelesen, das es schon neue Wasserstofftanks aus „Nanofasern“ gibt. Mit diesem Tank können die Autos mit einer Tankfüllung bis zu 8.000 km weit fahren. General Motors hat aber auch schon ein Auto mit Stirlingmotoren gebaut und auf dem „Partnership for a New Generation of Vehicles“ (PNGV) vorgestellt. Wie auf den Fotos zu sehen haben M•A•N und BMW schon Busse und Autos gebaut, die an einer speziellen Wasserstoff-Tankstelle gerade tanken. Am weitesten mit der Entwicklung ist aber bis jetzt noch DaimlerChrysler die eine neuentwickelte PEM-Brennstoffzelle in den Sandwichboden eines

Mercedes A-Klassewagen eingebaut.
3.2 Einsatz zur Stromerzeugung
Aber nicht nur zur in der Automobil-Industrie, sondern auch zur Stromerzeugung werden Brennstoffzellen eingesetzt. In den so genannten Blockheizkraftwerken werden die Brennstoffzellen zur Strom und Wärmeerzeugung eingesetzt. Die bis heute eingesetzten phosphorsaure Brennstoffzellen (PAFC) erzeugen bis zu 200 kW Strom und ca. 220 kW Wärme. In der Nähe von Tokio stand bis 1997 das größte Blockheizkraftwerk der Welt mit 11 Megawatt. Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei ca. 40%, der thermische Wirkungsgrad liegt bei ca. 45% so wird eine Energieausnutzung von 85% erreicht. Sie werden mit Erdgas betrieben. Das Erdgas wird in Reformern zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgewandelt und dann der Brennstoffzelle zugeführt.

4. Literaturverzeichnis

Textinformationen:
Texte auszugsweise aus:
2.2.1: Conrad Elektronic ´99
2.2.2: Div. Internetseiten
2.2.3.1: StromBasisWissen Nr. 131/Informationszentrale der Elektrizitätswirtschaft
2.2.3.2: StromBasisWissen Nr. 131/Informationszentrale der Elektrizitätswirtschaft

2.2.3.3:Conrad Elektronic ´99
3.1: Div. Zeitschriften
3.2: StromBasisWissen Nr. 131/Informationszentrale der Elektrizitätswirtschaft

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