Lexikon Brennstoffzelle

Einordnung

Die Erzeugung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern erfolgt heute zumeist mit Generatoren im Umweg über die Bewegungsenergie, die sich aus der Verbrennung des chemischen Stoffes ergibt. Die Brennstoffzelle ist geeignet, die Umformung ohne Umweg zu erreichen, und damit potentiell effektiver zu sein. Außerdem sind Brennstoffzellen im Vergleich mit Generatoren einfacher aufgebaut, und können potentiell zuverlässiger und abnutzungsfester als diese sein. Diese Effekte sind jedoch teilweise noch nicht technisch realisiert.

Ökologisch besonders bedeutsam ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Wasserstoff und Sauerstoff können durch Einsatz erneuerbarer Energien beziehungsweise aus der Erdatmosphäre gewonnen werden. So kann zum Beispiel Solartechnik genutzt werden, um den Wasserstoff mittels Elektrolyse aus Wasser zu gewinnen. Damit ist dieser Energiewandler einer der Hoffnungsträger für eine nachhaltige Energieerzeugung.

Die Technik der Brennstoffzellen ist noch nicht ausgereift. Durch den ökologischen Bezug wird die Forschung auch mit öffentlichen Geldern stark unterstützt. Bei einer Reihe von Problemen ist noch nicht abzusehen, wann diese gelöst werden können. Bei der Wasserstoff-Brennstoffzelle stehen besonders die Probleme der Wasserstoffspeicherung an. Es gibt bereits eine Reihe von Anwendungen, und mit zunehmendem Forschungserfolg finden sich schrittweise neue Einsatzfelder. Die besonders diskutierte Verdrängung des Verbrennungsmotors in der Automobiltechnik scheint noch Jahrzehnte entfernt.

Geschichte

Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde bereits 1838 von Christian Friedrich Schönbein entdeckt, indem er zwei Platindrähte in einer Elektrolytlösung (wahrscheinlich Schwefelsäure) mit Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff umspülte und zwischen den Drähten eine Spannung feststelle. 1839 veröffentlichte Schönbein diese Ergebnisse. Im selben Jahr schrieb Sir William Grove eine Notiz über das "batterisierte" Knallgas und wand diese Erkenntnisse in Zusammenarbeit mit Schönbein in mehreren Versuchen an. Mit der Erfindung der Dynamomaschine durch Werner von Siemens geriet die Brennstoffzelle zunächst in Vergessenheit, da die Dynamomaschine in Verbindung mit der Dampfmaschine relativ einfach und unkompliziert bezüglich Brennstoff und Materialien war. Ihre Renaissance erlebte die Brennstoffzelle ab den 1930er Jahren mit der beginnenden Raumfahrtforschung. Sie gewinnt seitdem kontinuierlich an Bedeutung. Auf Island wird sie im Zuge der eingeführten Wasserstoffwirtschaft bald flächendeckend eingesetzt.

Aufbau

Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, die durch eine Membran oder Elektrolyt voneinander getrennt sind. Die Anode (Pluspol) wird mit dem Brennstoff umspült (zum Beispiel Wasserstoff, Methan, Methanol, Glukoselösung), die Kathode (Minuspol) mit dem Oxidationsmittel (zum Beispiel Sauerstoff, Wasserstoffperoxid, Kaliumthiocyanat).

Die verwendeten Materialien sind unterschiedlich. Siehe Brennstoffzellentypen.

Die Elektrodenplatten / Bipolarplatten bestehen meist aus Metall, Nickel, oder Nano-Carbon-Röhrchen. Zur besseren Katalyse sind sie mit einem Katalysator (zum Beispiel Platin oder Palladium) beschichtet, dadurch wird eine hohere Effizienz erreicht.

Als Elektrolyten können beispielsweise gelöste Laugen oder Säuren, Alkalikarbonatschmelzen, Keramiken oder Membrane dienen.

Die gelieferte Spannung liegt theoretisch bei 1,23 Volt. Sie ist vom Brennstoff und Qualität der Zelle abhängig. Um eine höhere Spannung zu erhalten, werden mehrere Zellen zu einem so genannten Stack in Reihe geschaltet.

Bei der Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEMFC) ist der Aufbau wie folgt:

1. Bipolarplatte als Elektrode mit eingefräster Gaskanalstruktur, beispielsweise aus leitfähigen Kunststoffen (durch Zugabe zum Beispiel von Carbon-Nanoröhrchen elektrisch leitend gemacht);
2. Poröse Carbon-Papiere;
3. Reaktivschicht, meist auf die Ionomermembran aufgebracht. Hier stehen die 4 Phasen Katalysator (Pt), Elektronenleiter (Ruß oder Carbon-Nanomaterialien), Protonenleiter (Ionomer) und Porosität miteinander in Kontakt;
4. Protonenleitende Ionomermembran: gasdicht und nicht elektronenleitend;
5. wie 3);
6. wie 2);
7. wie 1)

Funktionsablauf

Der Brennstoff - beispielsweise Wasserstoff - wird an der Anode katalytisch in Kationen umgewandelt. Das sind beim Beispiel Wasserstoff H⁺-Ionen. Dies geschieht unter Abgabe von Elektronen an die Anode. Diese Elektronen fließen über einen elektrischen Verbraucher - zum Beispiel eine Glühlampe - zur Kathode. An der Kathode wird das Oxidationsmittel - i.d.R. Sauerstoff - durch Aufnahme der Elektronen zu Anionen. Die negativ geladenen Sauerstoff-Ionen reagieren mit den im Elektrolyt zur Kathode gewanderten H⁺-Ionen zu Wasser.

Brennstoffzellentypen

• AFC (Alkaline Fuel Cell) Elektrolyt: Kalilauge
• DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) Direktmethanol-Brennstoffzelle
• PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)auch (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)
• PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)
• SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)
• MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)

Anwendungen

spezial

Die ersten Anwendungen der Brennstoffzellen ergaben sich in Bereichen, in denen die Kosten keine Rolle spielten, dagegen die spezifischen Vorteile gegenüber billigen Dieselgeneratoren überwiegen. Mindestens sind Brennstoffzellen leichter und effektiver als Akkumulatoren, und zuverlässiger und leiser als Generatoren. So erklärt sich das frühzeitige Interesse der Raumfahrt an dieser Technologie.

Die modernsten deutschen U-Boote werden durch Brennstoffzellen angetrieben, gebaut bei den Nordseewerken Emden in Kooperation mit HDW. Die Auslieferung dieser U-Boot Klasse 212 erfolgt seit 2003.

mobil

Mehrere Automobilfirmen (unter anderem DaimlerChrysler, Ford, Honda, Opel) forschen seit zum Teil 20 Jahren an Automobilen, deren Treibstoff Wasserstoff ist, und die Brennstoffzellen zur Energieumwandlung sowie einen Elektromotor zum Antrieb nutzen. Ein Beispiel sind die Fahrzeuge NECAR 1 bis NECAR 5 von DaimlerChrysler).

Die Motivation dazu findet sich wahrscheinlich in der Einsicht, dass die Erdölvorkommen der Erde begrenzt sind (Ölkrise) und eine Fortsetzung des lukrativen Autogeschäfts in der "Zeit-nach-dem-Erdöl" wünschenswert ist. Förderlich für die erheblichen Anstrengungen in der Forschung war insbesondere der "Zero emission act", ein Gesetz in den USA, das vorschreibt, dass Autos zukünftig abgasfrei fahren sollen.

Für das Jahr 2003 war vorgesehen, dass 10% aller neuzugelassenen Fahrzeuge in Kalifornien diesem Gesetz unterliegen sollten. Unter dem Präsidenten der USA George W. Bush wurde dieses Gesetz weiter in die Zukunft verschoben.

Ein Nebeneffekt ist, dass die Emissionen vom Auto (Zero Emission Vehicle) zu den Stellen verlagert werden, wo der Wasserstoff hergestellt wird. Als Folge erwartet man eine Verbesserung der Luftqualität in Großstädten.

Die bislang nur ansatzweise gelösten Probleme sind nicht nur, die Größe und das Gewicht der Brennstoffzelle zu reduzieren, sondern auch, geeigneten Treibstoff beziehungsweise eine geeignete Lagerung desselben zu finden. Wasserstoff selbst ist zwar ein geeigneter Treibstoff; er lässt sich allerdings nur schwer in einer Menge, die ein Auto etwa 500 km weit bringt, kompakt im Auto lagern.

Für Busse ist diese Technik aber schon so weit entwickelt, dass beispielsweise in Hamburg Wasserstoffbusse im normalen Linienbetrieb getestet werden.

Drei Alternativen des Wasserstoffspeichers (Druckflasche, flüssiger Wasserstoff, Metallhydrid) sind zur Serienreife entwickelt.

Mögliche alternative Treibstoffe sind Ethanol, Methanol oder andere Kohlenwasserstoffe, von denen kurz vor Gebrauch der Wasserstoff abkatalysiert wird. Dieses Verfahren erzeugt jedoch nennenswerte Mengen an CO₂, was die ansonsten perfekte Umweltverträglichkeit der Brennstoffzelle einschränkt.

stationär

Während die ökologisch als besonders vorteilhaft beurteilten Wasserstoff-Brennstoffzellen noch technische Probleme aufweisen, sind die Erdgas-Brennstoffzellen derzeit dabei, die bisherigen Generatoren in der Kraft-Wärme-Kopplung zu verdrängen. Dabei handelt es sich um stationären Anwendungen, etwa als Blockheizkraftwerk für ein größeres Einzugsgebiet, oder in kleinerer Ausführung zur örtlichen Versorgung eines Gebäudes.

Bei diesen Geräten wird Erdgas durch einen Reformer zu Wasserstoff umgewandelt und der Brennstoffzelle zugeführt. So wird zum einen Strom gewonnen, zum anderen kann die entstehende Abwärme für die Brauch- und Heizwasser-Erwärmung verwendet werden. Ziel der dezentralen Strom- und Wärmeerzeugung ist insbesondere die Vermeidung von Leitungsverlusten (bis zu 40 % bei Hochspannungsmasten).

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