Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, die die Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in nutzbare elektrische Energie umwandelt. Im Sprachgebrauch steht Brennstoffzelle meist synonym für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle, die als alternative Energiequelle viel diskutiert wird.

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 kann durch Einsatz erneuerbarer Energien gewonnen werden, während der Sauerstoff aus der Erdatmosphäre zugeführt werden kann. 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 wird bereits jetzt für die Gewinnung von elektrischer Energie in der Raumfahrt ( Apollo, Space Shuttle) und für U-Boot-Antriebe verwendet. Eine breite gesellschaftliche Akzeptanz der Technologie, mit der die Technik-Reife auch für kleinere Fahrzeuge weitergetrieben werden könnte, ist derzeit noch nicht absehbar. Durch den ökologischen Bezug wird die Forschung auch mit öffentlichen Geldern unterstützt.

Bei einer Reihe von Problemen für kleinere Antriebe ist noch nicht abzusehen, wann diese gelöst werden können. Bei der Wasserstoff-Brennstoffzelle wird die Wasserstoffspeicherung von einigen Herstellern immer noch als problematisch angesehen. Es gibt aber auch für PKWs bereits eine Reihe von Anwendungen, und mit zunehmendem Forschungserfolg finden sich schrittweise neue Einsatzfelder. Die besonders diskutierte Verdrängung des Verbrennungsmotors in der Automobiltechnik auf breiter Front scheint jedoch noch weit entfernt.

Geschichte

Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde bereits 1838 von Christian Friedrich Schönbein entdeckt [1], 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 wandte diese Erkenntnisse in Zusammenarbeit mit Schönbein in mehreren Versuchen an. Aufgrund der Erfindung der Dynamomaschine durch Werner von Siemens geriet die von ihm "Galvanische Gasbatterie" getaufte Erfindung 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 1950er 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 (Minuspol) wird mit dem Brennstoff umspült (zum Beispiel Wasserstoff, Methan, Methanol, Glukoselösung), der dort oxidiert wird. Die Kathode (Pluspol) wird mit dem Oxidationsmittel umspült (zum Beispiel Sauerstoff, Wasserstoffperoxid, Kaliumthiocyanat), das dort reduziert wird.

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:

Bipolarplatte als Elektrode mit eingefräster Gaskanalstruktur, beispielsweise aus leitfähigen Kunststoffen (durch Zugabe zum Beispiel von Carbon-Nanoröhrchen elektrisch leitend gemacht);
Poröse Carbon-Papiere;
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;
Protonenleitende Ionomermembran: gasdicht und nicht elektronenleitend;
wie 3);
wie 2);
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.

Reaktionsgleichungen:

$Anode:2H_{2}\to 4H^{+}+4e^{-}$

Elektronenabgabe

$Kathode:O_{2}+4H^{+}+4e^{-}\to 2H_{2}O$

Elektronenaufnahme

$Gesamtreaktion:2H_{2}+O_{2}\to 2H_{2}O$

Redoxreaktion

Brennstoffzellentypen

Bezeichnung	Elektrolyt	Anodengas	Kathodengas	Leistung	Betriebstemperatur	Stand
AFC - Alkaline Fuel Cell	Kalilauge	Wasserstoff	Sauerstoff	20 kW	unter 80 °C	kommerziell/Entwicklung
PEMFC - Proton Exchange Membrane Fuel Cell	Polymermembran	Wasserstoff	Sauerstoff	bis 250 kW	unter 120 °C	kommerziell/Entwicklung
DMFC - Direct Methanol Fuel Cell	Polymermembran	Methanol	Luftsauerstoff		90-120 °C	kommerziell/Entwicklung
PAFC - Phosphoric Acid Fuel Cell	Phosphorsäure	Wasserstoff	Luftsauerstoff	11 MW	200 °C	Entwicklung
MCFC - Molten Carbonate Fuel Cell	Alkalikarbonatschmelzen	Wasserstoff, Methan, Kohlegas	Luftsauerstoff	2,2 MW	650 °C	Entwicklung
SOFC - Solid Oxide Fuel Cell	Oxidkeramischer Elektrolyt	Wasserstoff, Methan, Kohlegas	Luftsauerstoff	10-25 kW	900-1000 °C	Entwicklung

Anwendungen

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

Die Motivation für zivile Anwendungen findet sich auch 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.

mobil

Drei Alternativen des Wasserstoffspeichers (Druckflasche, flüssiger Wasserstoff, Metallhydrid) sind zur Serienreife entwickelt. 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. Das schweizerische Hy-Light Fahrzeug rückte 2004 ins Licht der Öffentlichkeit.

Durch den verstärkten Einsatz von emissionsfreien Fahrzeugen (Zero Emission Vehicle) in Ballungszentren und Großstädten erwartet man sich eine Verbesserung der dortigen Luftqualität. Ein Nebeneffekt ist allerdings, dass die Emissionen vom Ort der Fahrzeugnutzung dorthin verlagert werden, wo der Wasserstoff hergestellt wird, soweit dies nicht aufgrund regenerativer Verfahren erfolgt.

Die bislang auch für kleinere Fahrzeuge bereits serienreif verfügbaren Lösungen haben zum Ziel die Größe und das Gewicht der Brennstoffzelle zu reduzieren und eine geeignete Lagerung des Wasserstoff zu ermöglichen. DaimlerChrysler hat mit seinen Hybrid-Fahrzeugen der Mercedes-Benz A-Klasse inzwischen eine praxistaugliche Lösung, auch für kleine Fahrzeuge entwickelt. Für Busse ist diese Technik bereits schon so weit entwickelt, dass beispielsweise in Hamburg und Stuttgart Wasserstoffbusse im normalen Linienbetrieb getestet werden. Andere Verkehrsunternehmen zeigen ebenfalls reges Interess an dieser Technoloige. Bei Großfahrzeugen, insbesondere U-Booten ist Deutschland inzwischen Weltmarktführer für die Herstellung von Wasserstoffantrieben. Die Nordseewerke Emden in Kooperation mit HDW liefert dies sog. "U-Boot Klasse 212" seit 2003 aus. [2]

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 der enormen Leitungsverluste von bis zu 40 % durch die Übertragung im Hochspannungsnetz der Energieversorger.

Mikrobielle Brennstoffzellen

Über eine so genannte mikrobielle Brennstoffzelle sollen sich künftige Robotergenerationen selbst mit Treibstoff und Energie versorgen können. Mikroben in dieser Brennstoffzelle setzen die in organischem Material enthaltene Energie in Elektrizität um

Siehe auch: Wasserstoff, Ölkrise, Wasserstoffherstellung, Wasserstoffspeicherung

Literatur

Sven Geitmann: Wasserstoff & Brennstoffzellen – Die Technik von morgen!, BoD GmbH 2002 , ISBN 3831132739

Weblinks